CN212719174U - 双燃料船舶发动机lng供气系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种双燃料船舶发动机LNG供气系统，包括LNG储罐、天然气日用罐、低压气化装置、低压缓冲罐、辅机阀组装置、船舶辅机发动机、高压泵系统、高压气化装置、高压缓冲装置、主机阀组装置、船舶主机发动机、辅机W/G循环系统、主机W/G循环系统、潜液泵、辅机发动机集气箱、第一盘管、第一尾气催化装置、辅机排气管、主机发动机集气箱、第二盘管、第二尾气催化装置、主机排气管、第一三通阀和第二三通阀。

Description

双燃料船舶发动机LNG供气系统
技术领域
本实用新型涉及船舶技术领域，尤其是涉及一种双燃料船舶发动机LNG 供气系统。
背景技术
MARPOL公约(国际防止船舶造成污染公约)的第73/78附则Ⅵ要求： 2016年1月1日后的新建船舶在ECA区(船舶排放控制区)的NOX的排放要符合TierⅢ标准；对于SOX的排放而言，2020年1月1日以后，在任何区域航行的船舶，其燃油的硫含量必须达到0.5％m/m(mass/mass，质量百分比) 以下；对于在ECA区航行的船舶，2015年1月1日以后，燃油的硫含量必须达到0.1％m/m以下。
随着国际海事组织对废气排放指标的要求越来越严格，因此船舶需配套尾气后处理设备或者选择清洁燃料，同时LNG(Liquefied Natural Gas，液化天然气)作为清洁能源越来越受到青睐。
目前，技术成熟的双燃料发动机主要有二冲程低速双燃料发动机和四冲程中速双燃料发动机两类机型。二冲程低速双燃料发动机主要为MAN-ES公司开发设计的ME-GI发动机(曼恩公司双燃料低速机)和WinGD公司开发的DF发动机(温特图尔双燃料低速机)；对于四冲程中速双燃料发动机， MAN-ES和Wartsila公司都有相应的成熟产品，即DF发动机。
LNG动力船舶所配套的主体机型为双燃料发动机，与常规燃油发动机相比，双燃料发动机既可以采用燃油模式，也可切换至燃气模式，燃气模式的主要燃气种类为天然气；在燃气模式下，CO2的排放可减少20％～25％；硫氧化物和颗粒物的排放可降低100％，采用WinGD低速双燃料发动机，氮氧化物的排放可减少85％～90％，能达到TierⅢ标准，但是采用MAN-ES低速双燃料发动机，氮氧化物无法满足TierⅢ标准。由于双燃料发动机存在气阀重叠角，在燃气模式下运行时，有少量甲烷随废气排出到大气，增加温室气体排放，造成环境的污染。
目前应用最广泛的船用LNG供气技术分为低压和高压供气，低压供气系统是针对WinGD公司的二冲程低速机或中速机，液体部分通过低压泵升压至 16bar，气体部分通过压缩机升压供给燃气设备；高压供气系统是针对 MAN-ES公司的二冲程低速柴油机，液体部分通过高压泵升压至300bar，气体部分通过压缩机升压供给燃气设备使用。但现有的船用LNG供气技术存在需要提供额外加热热源、排气中的NOX不能满足第三阶段排放标准和甲烷逃逸等问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种双燃料船舶发动机LNG供气系统及双燃料船舶，旨在解决上述背景技术存在的不足，针对现有的船用LNG供气技术存在的需要提供额外加热热源、排气中的NOX不能满足第三阶段排放标准和甲烷逃逸等问题，在符合科学原理的前提下通过合理的设计，使得供气系统中发动机的排气余热再利用并且气体排放指标更优。
本实用新型提供一种双燃料船舶发动机LNG供气系统，包括LNG储罐、天然气日用罐、低压气化装置、低压缓冲罐、辅机阀组装置、船舶辅机发动机、高压泵系统、高压气化装置、高压缓冲装置、主机阀组装置、船舶主机发动机、辅机W/G循环系统、主机W/G循环系统、潜液泵、辅机发动机集气箱、第一盘管、第一尾气催化装置、辅机排气管、主机发动机集气箱、第二盘管、第二尾气催化装置、主机排气管、第一三通阀和第二三通阀；
所述潜液泵设置在所述LNG储罐内的底部位置，所述潜液泵的出口分为两路，一路与所述LNG储罐的顶部连通，另一路与所述高压泵系统的入口连通，所述高压泵系统的出口与所述高压气化装置的天然气入口连通，所述高压气化装置的天然气出口与所述高压缓冲装置的入口连通，所述高压缓冲装置的出口分为两路，一路通过所述主机阀组装置与所述船舶主机发动机的入口连通，另一路与所述船舶主机发动机的废气出口管路汇合后再与所述第二尾气催化装置连通，所述第二尾气催化装置设置在所述主机发动机集气箱内，所述主机排气管与所述主机发动机集气箱连通，所述主机W/G循环系统的出口与所述第二三通阀的入口连通，所述第二盘管设置在所述主机发动机集气箱内，所述第二三通阀的出口分为两路，一路与所述第二盘管的入口连通，所述第二盘管的出口与所述高压气化装置的中间加热介质入口连通，另一路经由第二旁通管路与所述第二盘管的出口旁通，所述高压气化装置的中间加热介质出口与所述主机W/G循环系统的入口连通；
所述LNG储罐的顶部出口与所述天然气日用罐的入口连通，所述天然气日用罐的出口与所述低压气化装置的BOG入口连通，所述低压气化装置的 BOG出口与所述低压缓冲罐的入口连通，所述低压缓冲罐的出口通过所述辅机阀组装置与所述船舶辅机发动机的入口连通，所述船舶辅机发动机的废气出口与所述第一尾气催化装置连通，所述第一尾气催化装置设置在所述辅机发动机集气箱内，所述辅机排气管与所述辅机发动机集气箱连通，所述辅机 W/G循环系统的出口与所述第一三通阀的入口连通，所述第一盘管设置在所述辅机发动机集气箱内，所述第一三通阀的出口分为两路，一路与所述第一盘管的入口连通，所述第一盘管的出口与所述低压气化装置的中间加热介质入口连通，另一路经由第一旁通管路与所述第一盘管的出口旁通，所述低压气化装置的中间加热介质出口与所述辅机W/G循环系统的入口连通。
进一步地，所述双燃料船舶发动机LNG供气系统还包括左舷加注接收装置和右舷加注接收装置，所述左舷加注接收装置和所述右舷加注接收装置均分别设有一个出口和一个入口，所述左舷加注接收装置的出口与所述右舷加注接收装置的出口汇合后再分别与所述LNG储罐内的顶部位置和底部位置连通，所述左舷加注接收装置的入口与所述右舷加注接收装置的入口汇合后再与所述LNG储罐的顶部连通。
进一步地，所述左舷加注接收装置的出口与所述右舷加注接收装置的出口汇合后再与所述LNG储罐内的顶部位置连通的管路上设有第一自动控制阀，所述左舷加注接收装置的出口与所述右舷加注接收装置的出口汇合后再与所述LNG储罐内的底部位置连通的管路上设有第二自动控制阀，所述左舷加注接收装置的入口与所述右舷加注接收装置的入口汇合后再与所述LNG 储罐的顶部连通的管路上设有第三自动控制阀，所述LNG储罐的顶部出口与所述天然气日用罐的入口连通的管路上设有第四自动控制阀，所述潜液泵的出口与所述高压泵系统的入口连通的管路上设有第五自动控制阀，所述潜液泵的出口与所述LNG储罐的顶部连通的管路上设有第六自动控制阀，所述天然气日用罐的出口与所述低压气化装置的BOG入口连通的管路上设有第七自动控制阀，所述低压缓冲罐的出口与所述辅机阀组装置连通的管路上设有第八自动控制阀，所述高压泵系统的出口与所述高压气化装置的天然气入口连通的管路上设有第九自动控制阀，所述高压缓冲装置的出口与所述主机阀组装置连通的管路上设有第十自动控制阀。
进一步地，所述高压缓冲装置的出口与所述船舶主机发动机的废气出口汇合的管路上设有第十一自动控制阀，所述主机排气管上设有气体探测装置，所述气体探测装置与所述第十一自动控制阀信号连接并用于控制所述第十一自动控制阀。
进一步地，所述低压缓冲罐上设有第一温度传感器，所述第一温度传感器与所述第一三通阀信号连接并用于控制所述第一三通阀。
进一步地，所述高压缓冲装置上设有第二温度传感器，所述第二温度传感器与所述第二三通阀信号连接并用于控制所述第二三通阀。
进一步地，所述高压缓冲装置上设有压力传感器，所述压力传感器与所述高压泵系统信号连接并用于控制所述高压泵系统。
进一步地，所述LNG储罐上设有检测装置。
进一步地，所述主机发动机集气箱和所述辅机发动机集气箱均采用左右分体设置的结构，所述辅机发动机集气箱的左右两侧之间相互连通且通过第一法兰连接，所述主机发动机集气箱的左右两侧之间相互连通且通过第二法兰连接。
进一步地，所述第一尾气催化装置和所述第二尾气催化装置均为竖向设置，所述船舶辅机发动机的废气出口与所述第一尾气催化装置的顶部入口连通，所述高压缓冲装置的出口与所述船舶主机发动机的废气出口管路汇合后再与所述第二尾气催化装置的顶部入口连通。
本实用新型提供的双燃料船舶发动机LNG供气系统，利用发动机排放气体的余热作为热源加热中间加热介质，再利用加热后的中间加热介质与LNG 和BOG进行热交换，从而实现LNG和BOG的升温，可减少蒸汽等高温热源的使用。同时，通过调节三通阀控制中间加热介质进入发动机集气箱的量，从而使缓冲罐内的天然气温度达到发动机的要求。
由于双燃料发动机存在气阀重叠角，有少量的甲烷会随着废气排出至大气，本实用新型通过在发动机集气箱中设置催化反应装置，可实现甲烷与废气中的NOX反应，从而使排放气体中的甲烷与NOX的含量达标。
附图说明
图1为本实用新型第一实施例中双燃料船舶发动机LNG供气系统的结构示意图。
图2为本实用新型第二实施例中双燃料船舶发动机LNG供气系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
本实用新型的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
第一实施例
如图1所示，本实用新型第一实施例提供的双燃料船舶发动机LNG供气系统，按功能可分为LNG(Liquefied Natural Gas，液化天然气)高压供气系统和BOG(Boil of Gas，天然气蒸发气)处理系统两个部分，其中LNG高压供气系统为船舶主机发动机供气，其供气压力约为300bar，BOG处理系统为船舶辅机发动机供气，其供气压力约为6bar；按结构可分为LNG加注、LNG 存储、LNG供气以及排气后处理四个部分。
进一步地，本实例的双燃料船舶发动机LNG供气系统包括左舷加注接收装置1、右舷加注接收装置2、LNG储罐3、天然气日用罐4、低压气化装置 5、低压缓冲罐6、辅机阀组装置7、船舶辅机发动机8、高压泵系统9、高压气化装置10、高压缓冲装置11、主机阀组装置12、船舶主机发动机13、辅机W/G(water/glycol，水/乙二醇)循环系统14、主机W/G循环系统15、潜液泵31、辅机发动机集气箱81、第一盘管82、第一尾气催化装置83、辅机排气管86、主机发动机集气箱131、第二盘管132、第二尾气催化装置133、主机排气管137、第一三通阀141和第二三通阀151。
左舷加注接收装置1和右舷加注接收装置2均与LNG储罐3连通；潜液泵31设置在LNG储罐3内的底部位置，潜液泵31的出口分为两路，一路与 LNG储罐3的顶部连通，另一路与高压泵系统9的入口连通，高压泵系统9 的出口与高压气化装置10的天然气入口连通，高压气化装置10的天然气出口与高压缓冲装置11的入口连通，高压缓冲装置11的出口分为两路，一路通过主机阀组装置12与船舶主机发动机13的入口连通，另一路与船舶主机发动机13的废气出口管路汇合后再与第二尾气催化装置133连通，第二尾气催化装置133设置在主机发动机集气箱131内，主机排气管137与主机发动机集气箱131连通，主机W/G循环系统15的出口与第二三通阀151的入口连通，第二盘管132设置在主机发动机集气箱131内，第二三通阀151的出口分为两路，一路与第二盘管132的入口连通，第二盘管132的出口与高压气化装置10的中间加热介质入口连通，另一路经由第二旁通管路142与第二盘管132的出口旁通，高压气化装置10的中间加热介质出口与主机W/G循环系统15的入口连通。
LNG储罐3的顶部出口与天然气日用罐4的入口连通，天然气日用罐4 的出口与低压气化装置5的BOG入口连通，低压气化装置5的BOG出口与低压缓冲罐6的入口连通，低压缓冲罐6的出口通过辅机阀组装置7与船舶辅机发动机8的入口连通，船舶辅机发动机8的废气出口与第一尾气催化装置83连通，第一尾气催化装置83设置在辅机发动机集气箱81内，辅机排气管86与辅机发动机集气箱81连通，辅机W/G循环系统14的出口与第一三通阀141的入口连通，第一盘管82设置在辅机发动机集气箱81内，第一三通阀141的出口分为两路，一路与第一盘管82的入口连通，第一盘管82的出口与低压气化装置5的中间加热介质入口连通，另一路经由第一旁通管路 152与第一盘管82的出口旁通，低压气化装置5的中间加热介质出口与辅机 W/G循环系统14的入口连通。
具体地，船舶主机发动机13可以为高压二冲程低速发动机，船舶辅机发动机8可以为低压二冲程中速机，但不限于此。
潜液泵31的出口管路中有一路与LNG储罐3的顶部连通，这样设置的目的在于：在部分工况中，潜液泵31在其最小功率下输出的LNG流量大于船舶主机发动机13所需要的LNG流量，这样设置可实现LNG的回流，避免因船舶主机发动机13燃烧不完全造成甲烷外泄。
左舷加注接收装置1和右舷加注接收装置2均与LNG储罐3连通，具体为：左舷加注接收装置1和右舷加注接收装置2均分别设有一个出口和一个入口，左舷加注接收装置1的出口与右舷加注接收装置2的出口汇合后再分别与LNG储罐3内的顶部位置和底部位置连通，左舷加注接收装置1的入口与右舷加注接收装置2的入口汇合后再与LNG储罐3的顶部连通。因为船舶的体积较大，而且船舶靠岸时，有时为船头靠岸，有时为船尾靠岸，故在船头和船尾各设一个加注接收装置便于为船舶加注LNG。左舷加注接收装置1 和右舷加注接收装置2的出口用于将LNG加注至LNG储罐3，同时在加注 LNG过程中，LNG会逐渐占据LNG储罐3内的空间，导致LNG储罐3内的压强增大，左舷加注接收装置1和右舷加注接收装置2的入口用于排出LNG 储罐3内的气体并降低储罐3内的压强，使储罐3内的压强维持在设定范围。
进一步地，左舷加注接收装置1的出口与右舷加注接收装置2的出口汇合后再与LNG储罐3内的顶部位置连通的管路上设有第一自动控制阀33，左舷加注接收装置1的出口与右舷加注接收装置2的出口汇合后再与LNG储罐3内的底部位置连通的管路上设有第二自动控制阀34，左舷加注接收装置 1的入口与右舷加注接收装置2的入口汇合后再与LNG储罐3的顶部连通的管路上设有第三自动控制阀35，LNG储罐3的顶部出口与天然气日用罐4的入口连通的管路上设有第四自动控制阀36，潜液泵31的出口与高压泵系统9 的入口连通的管路上设有第五自动控制阀37，潜液泵31的出口与LNG储罐 3的顶部连通的管路上设有第六自动控制阀38，天然气日用罐4的出口与低压气化装置5的BOG入口连通的管路上设有第七自动控制阀41，低压缓冲罐6的出口与辅机阀组装置7连通的管路上设有第八自动控制阀62，高压泵系统9的出口与高压气化装置10的天然气入口连通的管路上设有第九自动控制阀91，高压缓冲装置11的出口与主机阀组装置12连通的管路上设有第十自动控制阀113，高压缓冲装置11的出口与船舶主机发动机13的废气出口汇合的管路上设有第十一自动控制阀112。
进一步地，双燃料船舶发动机LNG供气系统还包括同时与第一自动控制阀33、第二自动控制阀34、第三自动控制阀35、第四自动控制阀36、第五自动控制阀37、第六自动控制阀38、第七自动控制阀41、第八自动控制阀62、第九自动控制阀91、第十自动控制阀113以及第十一自动控制阀112连通的压缩空气系统16。因上述的各自动控制阀为气动阀，故需要通过压缩空气系统16驱动并控制各自动控制阀的开合。
进一步地，辅机排气管86上设有第一涡轮增压器85，主机排气管137 上设有第二涡轮增压器135和气体探测装置136，气体探测装置136与第十一自动控制阀112信号连接并用于控制第十一自动控制阀112。
具体地，涡轮增压器用于通过压缩空气来增加发动机的进气量，从而增加发动机的输出功率。气体探测装置136用于检测船舶主机发动机13的主机排气管137中排放气体的NOX的含量，并根据检测结果控制第十一自动控制阀112，以调节高压缓冲装置11中天然气(主要成分为甲烷)直接进入第二尾气催化装置133中的量，使甲烷和NOX反应的更加完全，从而降低甲烷和 NOX的排放。需要说明的是，因船舶辅机发动机8排放气体中的甲烷和NOX含量一般来说是达标的，故船舶辅机发动机8排放气体的处理系统中不需要设置气体探测装置，同时低压缓冲罐6也不需要直接向第一尾气催化装置83 提供天然气，第一尾气催化装置83起进一步降低船舶辅机发动机8排放气体中的甲烷和NOX含量的作用。
进一步地，低压缓冲罐6上设有第一温度传感器61，第一温度传感器61 与第一三通阀141信号连接并用于控制第一三通阀141，以调节辅机W/G循环系统14内部的中间加热介质通过第一旁通管路142的流量。高压缓冲装置 11上设有第二温度传感器111和压力传感器114，第二温度传感器111与第二三通阀151信号连接并用于控制第二三通阀151，以调节主机W/G循环系统15内部的中间加热介质通过第二旁通管路152的流量。压力传感器114与高压泵系统9信号连接并用于控制高压泵系统9，以调节经过高压泵系统9 后的天然气的压力。LNG储罐3上设有检测装置32，检测装置32用于对LNG 储罐3内的温度、压力及液位进行监测。
进一步地，辅机W/G循环系统14还包括第一膨胀柜(图未示)和第一水泵(图未示)，主机W/G循环系统15还包括第二膨胀柜(图未示)和第二水泵(图未示)。第一水泵和第二水泵用于加压输送中间加热介质，第一膨胀柜和第二膨胀柜用于补充因蒸发和漏泄而损失的中间加热介质，使第一水泵和第二水泵有足够的吸入压头。当然，中间加热介质除了可以为本实施例中的乙二醇水溶液，还可以为其它的低凝固点溶液，此处不作限定。
优选地，在本实施例中，第一尾气催化装置83和第二尾气催化装置133 均采用Cu/Fe/Al2O3/堇(jin)青石作为催化剂。采用HC-SCR催化反应(HC-SCR 技术是用HC化合物，如排气中未燃烧完全的HC或燃料柴油为还原剂，在催化剂的作用下将排气中NOX还原成N2，其反应式为：CH4+NOX→N2+CO2 +H2O)所使用的催化剂，相比较NH3-SCR催化反应(NH3-SCR技术是利用尿素在高温下发生水解和热解反应后生成NH3，在催化剂表面利用NH3还原 NOX生成N2，多余的NH3也被氧化为N2)所需的V2O5/TiO2系列催化剂，具有成本较低，操作温度窗口更宽的优点。
优选地，在本实施例中，主机发动机集气箱131和辅机发动机集气箱81 均采用左右分体设置的结构，其左侧设有加热和尾气催化装置，右侧为空箱，辅机发动机集气箱81的左右两侧之间相互连通且通过第一法兰84连接，主机发动机集气箱131的左右两侧之间相互连通且通过第二法兰134连接。这样设置的目的在于：1、方便拆装和检修，因盘管、尾气催化装置等元件装设在发动机集气箱的左侧，故当设备故障时，可直接卸下法兰打开发动机集气罐，对发动机集气罐内的元件进行检修；2、方便元件装配，在装配时，可先将各元件装配在发动机集气罐内的左侧，然后再将发动机集气罐左右两侧通过法兰连接。
优选地，第一尾气催化装置83和第二尾气催化装置133均为竖向设置，船舶辅机发动机8的废气出口与第一尾气催化装置83的顶部入口连通，高压缓冲装置11的出口与船舶主机发动机13的废气出口管路汇合后再与第二尾气催化装置133的顶部入口连通。这样设置的目的在于可以使发动机排放气体从上至下贯穿尾气催化装置，使反应更完全。
本实用新型主要的工作流程如下：
1、LNG高压供气系统：在发动机燃气模式下，第五自动控制阀37打开，潜液泵31运行，潜液泵31将LNG储罐3内的LNG加压并输送至高压泵系统9中，同时通过打开第六自动控制阀38实现LNG的回流。LNG进入高压泵系统9后，高压泵系统9进一步对LNG进行加压，使供气压力达到船舶主机发动机13的供气要求。
高压气化装置10为采用中间加热介质的换热设备，中间加热过程采用主机发动机集气箱131中收集的高温发动机排放气体作为热源，中间加热介质通过第二水泵从第二膨胀柜中输送至主机发动机集气箱131中，主机发动机集气箱131中设有第二盘管132，中间加热介质通过第二盘管132与高温发动机排放气体进行换热，实现升温，升温后的中间加热介质输送至高压气化装置10的中间加热介质入口，与LNG进行换热，使LNG升温，同时使LNG 由液态转变为气态的天然气。而中间加热介质再通过高压气化装置10的中间加热介质出口返回第二膨胀柜中，即中间加热介质在主机W/G循环系统15 的内部循环流动，持续与LNG进行换热使LNG升温。
升温后的天然气进入高压缓冲装置11，高压缓冲装置11上设有第二温度传感器111和压力传感器114，第二温度传感器111用于控制第二三通阀 151，通过调节主机W/G循环系统15中第二旁通管路152的中间加热介质流量实现换热的温度调节；当高压缓冲装置11内的天然气温度低于船舶主机发动机13的要求温度时，则调节第二三通阀151使中间加热介质更多的通向第二盘管132进行换热，当高压缓冲装置11内的天然气温度高于船舶主机发动机13的要求温度时，则调节第二三通阀151使中间加热介质更多的直接通过主机W/G循环系统15中第二旁通管路152，最终使天然气的温度达到船舶主机发动机13的要求温度。压力传感器114用于控制高压泵系统9，当高压缓冲装置11内的天然气压力低于船舶主机发动机13的要求压力时，则调节高压泵系统9使LNG增压，当高压缓冲装置11内的天然气压力高于船舶主机发动机13的要求压力时，则调节高压泵系统9使LNG减压，使天然气的压力达到船舶主机发动机13的要求压力。
高压缓冲装置11内的天然气经过调温、调压后分两路输出，一路通过主机阀组装置12进入船舶主机发动机13，供船舶主机发动机13使用，另一路与船舶主机发动机13的废气出口管路汇合后再与第二尾气催化装置133连通。当船舶主机发动机13运行时，第十自动控制阀113打开，天然气进入主机阀组装置12中，根据船舶主机发动机13的运行工况，调整天然气的进气流量和压力。
位于主机发动机集气箱131中的第二尾气催化装置133同时接收到来自船舶主机发动机13的排放气体和来自高压缓冲装置11的天然气，由于船舶主机发动机13存在气阀重叠角，有少量未燃烧的天然气会随着排放气体进入第二尾气催化装置133，排放气体中的NOX和少量残余天然气以及来自高压缓冲装置11的天然气在第二尾气催化装置133反应，生成N2、CO2和H2O。
反应后排放气体进入主机排气管137，主机排气管137上设有气体探测装置136，气体探测装置136用于检测排放气体中NOX的含量，通过气体探测装置136的检测结果控制第十一自动控制阀112，从而控制高压缓冲装置 11内的天然气直接进入第二尾气催化装置133的量，使天然气与NOX反应更完全，大大降低了甲烷和NOX的排放。
2、BOG处理系统：随着LNG储罐3与外界热量交换的增多，LNG储罐3内的BOG逐渐增多，LNG储罐3内的压力也随之增大，当压力增大到一定程度后，第四自动控制阀36打开，BOG储存于天然气日用罐4中。
当船舶辅机发动机8运行时，第七自动控制阀41打开，天然气日用罐4 中的BOG进入低压气化装置5进行换热升温。低压气化装置5为采用中间加热介质的换热设备，中间加热过程采用辅机发动机集气箱81中收集的高温发动机排放气体作为热源，中间加热介质通过第一水泵从第一膨胀柜中输送至辅机发动机集气箱81中，辅机发动机集气箱81中设有第一盘管82，中间加热介质通过第一盘管82与高温发动机排放气体进行换热，实现升温，升温后的中间加热介质输送至低压气化装置5的中间加热介质入口，与BOG进行换热，使BOG升温，使BOG的温度达到船舶辅机发动机8的要求温度。而中间加热介质再通过低压气化装置5的中间加热介质出口返回第一膨胀柜中，即中间加热介质在辅机W/G循环系统14的内部循环流动，持续与BOG进行换热使BOG升温。需要说明的是，因船舶辅机发动机8的供气压力要求较低， BOG的增压可通过LNG储罐3自增压的方式实现，故BOG处理系统中不需要设置相关的加压装置即可满足船舶辅机发动机8的供气压力要求。
升温后的BOG进入低压缓冲罐6，低压缓冲罐6上设有第一温度传感器 61，第一温度传感器61用于控制第一三通阀141，通过调节辅机W/G循环系统14中第一旁通管路142的中间加热介质流量实现换热的温度调节；当低压缓冲罐6内的BOG温度低于船舶辅机发动机8的要求温度时，则调节第一三通阀141使中间加热介质更多的通向第一盘管82进行换热，当低压缓冲罐6 内的BOG温度高于船舶辅机发动机8的要求温度时，则调节第一三通阀141使中间加热介质更多的直接通过辅机W/G循环系统14中第一旁通管路142，最终使BOG的温度达到船舶辅机发动机8的要求温度。
低压缓冲罐6内的BOG经过调温后通过辅机阀组装置7进入船舶辅机发动机8，供船舶辅机发动机8使用，当船舶辅机发动机8运行时，第八自动控制阀62打开，BOG进入辅机阀组装置7中，根据船舶辅机发动机8的运行工况，调整BOG的进气流量和压力。
位于辅机发动机集气箱81中的第一尾气催化装置83接收到来自船舶辅机发动机8的排放气体，由于船舶辅机发动机8存在气阀重叠角，有少量未燃烧的天然气会随着排放气体进入第一尾气催化装置83，排放气体中的NOX和少量残余天然气在第一尾气催化装置83中反应，生成N2、CO2和H2O，大大降低了甲烷和NOX的排放。需要说明的是，因船舶辅机发动机8排放气体中的甲烷和NOX含量一般来说是达标的，故船舶辅机发动机8排放气体的处理系统中不需要设置气体探测装置，同时低压缓冲罐6也不需要直接向第一尾气催化装置83提供天然气，第一尾气催化装置83起进一步降低船舶辅机发动机8排放气体中的甲烷和NOX含量的作用。
第二实施例
如图2所示，本实用新型第二实施例提供的双燃料船舶发动机LNG供气系统与第一实施例的结构大致相同，不同点在于辅机发动机集气箱81和主机发动机集气箱131的结构不同。
具体地，在本实施例中，辅机发动机集气箱81和主机发动机集气箱131 均为一体化结构，同时辅机发动机集气箱81上设有第一人孔87，主机发动机集气箱131上设有第二人孔138。当辅机发动机集气箱81或主机发动机集气箱131需要检修时，先打开第一人孔87或第二人孔138，然后操作员进入辅机发动机集气箱81或主机发动机集气箱131内进行检修。此处对于辅机发动机集气箱81和主机发动机集气箱131的结构不作限定。
为了验证本实用新型提供的双燃料船舶发动机LNG供气系统的使用效果，特在配有低速机13和中速机8的船舶A上进行实船试验。
船舶A以燃气模式运行时，潜液泵31将LNG储罐3内的LNG加压到一定压力并输送至高压泵系统9，LNG再次增压后进入高压气化装置10中，将LNG气化为天然气，并将天然气的压力和温度调至低速机13所需的范围并储存到高压缓冲装置11中，通过高压缓冲装置11供给低速机使用。低速机13排气进入主机发动机集气箱131内置的第二尾气催化装置133中，排气中的CH4与NOX发生催化还原反应，通过检测排气中NOX的含量，控制加入天然气的量，以实现NOX的排放达标及无甲烷逃逸。通过与传统的高压 LNG供气系统对比，发现船舶A的低速机13排气中NOX的含量更低，且能达到第三阶段排放标准并且排气中无甲烷逃逸。
同时，船舶A以燃气模式运行时，LNG储罐3内的BOG进入天然气日用罐4，加压到一定压力进入低压气化装置5中，将BOG的压力和温度调至中速机8所需的范围并储存到低压缓冲罐6中，通过低压缓冲罐6供给中速机8使用。中速机8排气进入辅机发动机集气箱81内置的第一尾气催化装置 83中，排气中的CH4与NOX发生催化还原反应，以大大降低中速机8的甲烷逃逸值，并有效降低NOX的排放值。通过与传统的BOG处理系统对比，发现船舶A的中速机8排气中NOX和甲烷逃逸大大降低。
本实用新型的优点在于：
1、利用发动机排气热量，减少高温热源使用。本实用新型采用的中间加热介质使用发动机排放气体作为热源，可减少蒸汽等高温热源的使用，同时通过控制中间加热介质循环系统中的三通阀来调节进入发动机集气箱中的中间加热介质的量，以控制缓冲罐内的天然气温度达到发动机要求；
2、发动机集气箱中设有尾气催化装置，可减少废气中甲烷和氮氧化物的含量。双燃料发动机存在气阀重叠角，有少量甲烷会随着废气排出到大气，通过在排气系统中设置催化反应装置，可实现甲烷和废气中的NOX反应，同时在排气管路中设置NOX含量的探测装置，可根据NOX含量增加部分天然气进入催化反应装置，使废气中的NOX含量降低至设定值。此外，本实用新型采用的HC-SCR催化反应选用Cu/Fe/Al2O3/堇青石作为催化剂，相比NH3-SCR 反应所需的V2O5/TiO2催化剂，成本较低，操作温度窗口更宽；
3、发动机集气箱采用左右分体设置的结构，左侧设有加热和尾气催化装置，右侧为空箱，左右两侧之间通过法兰连接，便于拆装和检修。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种双燃料船舶发动机LNG供气系统，其特征在于，包括LNG储罐(3)、天然气日用罐(4)、低压气化装置(5)、低压缓冲罐(6)、辅机阀组装置(7)、船舶辅机发动机(8)、高压泵系统(9)、高压气化装置(10)、高压缓冲装置(11)、主机阀组装置(12)、船舶主机发动机(13)、辅机W/G循环系统(14)、主机W/G循环系统(15)、潜液泵(31)、辅机发动机集气箱(81)、第一盘管(82)、第一尾气催化装置(83)、辅机排气管(86)、主机发动机集气箱(131)、第二盘管(132)、第二尾气催化装置(133)、主机排气管(137)、第一三通阀(141)和第二三通阀(151)；
所述潜液泵(31)设置在所述LNG储罐(3)内的底部位置，所述潜液泵(31)的出口分为两路，一路与所述LNG储罐(3)的顶部连通，另一路与所述高压泵系统(9)的入口连通，所述高压泵系统(9)的出口与所述高压气化装置(10)的天然气入口连通，所述高压气化装置(10)的天然气出口与所述高压缓冲装置(11)的入口连通，所述高压缓冲装置(11)的出口分为两路，一路通过所述主机阀组装置(12)与所述船舶主机发动机(13)的入口连通，另一路与所述船舶主机发动机(13)的废气出口管路汇合后再与所述第二尾气催化装置(133)连通，所述第二尾气催化装置(133)设置在所述主机发动机集气箱(131)内，所述主机排气管(137)与所述主机发动机集气箱(131)连通，所述主机W/G循环系统(15)的出口与所述第二三通阀(151)的入口连通，所述第二盘管(132)设置在所述主机发动机集气箱(131)内，所述第二三通阀(151)的出口分为两路，一路与所述第二盘管(132)的入口连通，所述第二盘管(132)的出口与所述高压气化装置(10)的中间加热介质入口连通，另一路经由第二旁通管路(142)与所述第二盘管(132)的出口旁通，所述高压气化装置(10)的中间加热介质出口与所述主机W/G循环系统(15)的入口连通；
所述LNG储罐(3)的顶部出口与所述天然气日用罐(4)的入口连通，所述天然气日用罐(4)的出口与所述低压气化装置(5)的BOG入口连通，所述低压气化装置(5)的BOG出口与所述低压缓冲罐(6)的入口连通，所述低压缓冲罐(6)的出口通过所述辅机阀组装置(7)与所述船舶辅机发动机(8)的入口连通，所述船舶辅机发动机(8)的废气出口与所述第一尾气催化装置(83)连通，所述第一尾气催化装置(83)设置在所述辅机发动机集气箱(81)内，所述辅机排气管(86)与所述辅机发动机集气箱(81)连通，所述辅机W/G循环系统(14)的出口与所述第一三通阀(141)的入口连通，所述第一盘管(82)设置在所述辅机发动机集气箱(81)内，所述第一三通阀(141)的出口分为两路，一路与所述第一盘管(82)的入口连通，所述第一盘管(82)的出口与所述低压气化装置(5)的中间加热介质入口连通，另一路经由第一旁通管路(152)与所述第一盘管(82)的出口旁通，所述低压气化装置(5)的中间加热介质出口与所述辅机W/G循环系统(14)的入口连通。
2.如权利要求1所述的双燃料船舶发动机LNG供气系统，其特征在于，所述双燃料船舶发动机LNG供气系统还包括左舷加注接收装置(1)和右舷加注接收装置(2)，所述左舷加注接收装置(1)和所述右舷加注接收装置(2)均分别设有一个出口和一个入口，所述左舷加注接收装置(1)的出口与所述右舷加注接收装置(2)的出口汇合后再分别与所述LNG储罐(3)内的顶部位置和底部位置连通，所述左舷加注接收装置(1)的入口与所述右舷加注接收装置(2)的入口汇合后再与所述LNG储罐(3)的顶部连通。
3.如权利要求2所述的双燃料船舶发动机LNG供气系统，其特征在于，所述左舷加注接收装置(1)的出口与所述右舷加注接收装置(2)的出口汇合后再与所述LNG储罐(3)内的顶部位置连通的管路上设有第一自动控制阀(33)，所述左舷加注接收装置(1)的出口与所述右舷加注接收装置(2)的出口汇合后再与所述LNG储罐(3)内的底部位置连通的管路上设有第二自动控制阀(34)，所述左舷加注接收装置(1)的入口与所述右舷加注接收装置(2)的入口汇合后再与所述LNG储罐(3)的顶部连通的管路上设有第三自动控制阀(35)，所述LNG储罐(3)的顶部出口与所述天然气日用罐(4)的入口连通的管路上设有第四自动控制阀(36)，所述潜液泵(31)的出口与所述高压泵系统(9)的入口连通的管路上设有第五自动控制阀(37)，所述潜液泵(31)的出口与所述LNG储罐(3)的顶部连通的管路上设有第六自动控制阀(38)，所述天然气日用罐(4)的出口与所述低压气化装置(5)的BOG入口连通的管路上设有第七自动控制阀(41)，所述低压缓冲罐(6)的出口与所述辅机阀组装置(7)连通的管路上设有第八自动控制阀(62)，所述高压泵系统(9)的出口与所述高压气化装置(10)的天然气入口连通的管路上设有第九自动控制阀(91)，所述高压缓冲装置(11)的出口与所述主机阀组装置(12)连通的管路上设有第十自动控制阀(113)。
4.如权利要求1所述的双燃料船舶发动机LNG供气系统，其特征在于，所述高压缓冲装置(11)的出口与所述船舶主机发动机(13)的废气出口汇合的管路上设有第十一自动控制阀(112)，所述主机排气管(137)上设有气体探测装置(136)，所述气体探测装置(136)与所述第十一自动控制阀(112)信号连接并用于控制所述第十一自动控制阀(112)。
5.如权利要求1所述的双燃料船舶发动机LNG供气系统，其特征在于，所述低压缓冲罐(6)上设有第一温度传感器(61)，所述第一温度传感器(61)与所述第一三通阀(141)信号连接并用于控制所述第一三通阀(141)。
6.如权利要求1所述的双燃料船舶发动机LNG供气系统，其特征在于，所述高压缓冲装置(11)上设有第二温度传感器(111)，所述第二温度传感器(111)与所述第二三通阀(151)信号连接并用于控制所述第二三通阀(151)。
7.如权利要求1所述的双燃料船舶发动机LNG供气系统，其特征在于，所述高压缓冲装置(11)上设有压力传感器(114)，所述压力传感器(114)与所述高压泵系统(9)信号连接并用于控制所述高压泵系统(9)。
8.如权利要求1所述的双燃料船舶发动机LNG供气系统，其特征在于，所述LNG储罐(3)上设有检测装置(32)。
9.如权利要求1所述的双燃料船舶发动机LNG供气系统，其特征在于，所述主机发动机集气箱(131)和所述辅机发动机集气箱(81)均采用左右分体设置的结构，所述辅机发动机集气箱(81)的左右两侧之间相互连通且通过第一法兰(84)连接，所述主机发动机集气箱(131)的左右两侧之间相互连通且通过第二法兰(134)连接。
10.如权利要求1所述的双燃料船舶发动机LNG供气系统，其特征在于，所述第一尾气催化装置(83)和所述第二尾气催化装置(133)均为竖向设置，所述船舶辅机发动机(8)的废气出口与所述第一尾气催化装置(83)的顶部入口连通，所述高压缓冲装置(11)的出口与所述船舶主机发动机(13)的废气出口管路汇合后再与所述第二尾气催化装置(133)的顶部入口连通。
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CN113623530A (zh) * 2021-08-31 2021-11-09 沪东重机有限公司 带过渡储罐的标准罐箱型的潜液泵供气系统及其工作方法

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