FI123015B

FI123015B - powerplant

Info

Publication number: FI123015B
Application number: FI20050004A
Authority: FI
Inventors: Peter Eilits
Original assignee: Man B & W Diesel Ag
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2005-01-04
Publication date: 2012-10-15
Also published as: FI20050004A; KR101098662B1; KR20050075689A; ITRM20050019A1; DE102004002325B3; FI20050004A0

Description

Moottorilaitteistoengine Hardware

Keksintö koskee moottorilaitteistoa, joka käsittää iskumäntäpoltto-moottorikoneen polttoaineen itsesytytyksellä, pakokaasuturboahtimen ja laitteen 5 pakokaasulämmön muuttamiseksi höyryksi.The invention relates to an engine apparatus comprising a piston combustion engine engine for self-ignition of the fuel, an exhaust turbocharger and a device 5 for converting the exhaust gas heat into steam.

Tällaisia suuria iskumäntäpolttomoottorikoneita käsittäviä laitteistoja käytetään laivoissa ja kiinteissä voimalaitoksissa. Tällöin pakokaasulämmön muuttamiseen tarkoitetulla laitteella tuotetaan höyryä, jota käytetään esimerkiksi höyryturbiinin käyttämiseen, kuumennustarkoituksiin tai prosessihöyrynä. 10 Tämä lähtökohtana keksinnön tarkoituksena on saada aikaan moni- vaiheisesti ahdettuihin iskumäntäpolttomoottorikoneisiin soveltuva, höyryä mahdollisimman korkealla paineella ja korkealla lämpötilalla tuottava moottorilaitteisto.Such large-piston internal combustion engine equipment is used in ships and fixed power plants. Here, the device for converting the exhaust gas heat produces steam which is used, for example, to operate a steam turbine, for heating purposes or as process steam. It is an object of the present invention to provide engine equipment for producing steam at the highest possible pressure and high temperature for multi-stage supercharged piston internal combustion engine machines.

Keksinnön mukaisesti tämä saavutetaan siten, että pakokaasujohtoon 15 on järjestetty monivaiheisen ahtoryhmän korkeampipaineisella pakokaasulla paineistetun turbiinin ja alhaisempipaineisella pakokaasulla paineistetun turbiinin väliin ensimmäinen pakokaasukattila ja kaikkien turbiinien taakse toinen pako-kaasukattila.According to the invention this is achieved by providing a first exhaust boiler and a second exhaust boiler behind the turbines between the high pressure exhaust turbine and the lower pressure turbine in the exhaust line 15.

Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa ensimmäinen kattila on jär-20 jestetty kaksivaiheisen ahtoryhmän korkeapaineturbiinin ja matalapaineturbiinin väliin sekä toinen kattila matalapaineturbiinin taakse.In a preferred embodiment of the invention, the first boiler is arranged between the high pressure turbine and the low pressure turbine of the two-stage supercharger, and the second boiler behind the low pressure turbine.

Edullisesti toisen pakokaasukattilan poistoaukko on kytketty ensimmäisen pakokaasukattilan sisääntuloon. Tästä on tuloksena se etu, että pakokaasulämmön kaksivaiheinen hyödyntäminen voi tapahtua ilman pakokaasuläm-25 pötilan kohoamista iskumäntäpolttomoottorikoneen takana. Jos on tarkoitus tuot-taa höyryä pakokaasun lämmöllä höyryturbiinille, ensimmäinen pakokaasukat-5 tila toimii ylikuumentimena.Preferably, the outlet of the second exhaust boiler is connected to the inlet of the first exhaust boiler. As a result, the advantage is that the two-stage utilization of the exhaust gas heat can take place without raising the exhaust gas temperature behind the piston combustion engine. If it is intended to produce steam by the exhaust gas heat to the steam turbine, the first exhaust gas-5 space acts as an overheater.

CNJCNJ

^ Lopuissa epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on ilmoitettu rivi yk- ° sittäin tai yhdessä järjestettäviä kytkentämahdollisuuksia, jotka sallivat, että jo-The remaining dependent claims disclose a series of individually or jointly coupled switching capabilities that allow one to

CVJCVJ

° 30 kaista käyttötapausta ja käyttötilaa varten iskumäntäpolttomoottorikoneen tehon | ja paineen sekä höyryn lämpötilan välinen optimointi on mahdollista.° For 30 lane applications and modes, power of a percussion piston engine | and optimization between pressure and steam temperature is possible.

^t· Piirustuksessa on toistettu kuvioissa 1 ja 2 keksinnön kaksi suori- o § tusesimerkkiä kaavamaisesti.1 and 2 schematically repeat two embodiments of the invention.

o Kuviossa 1 iskumäntäpolttomoottorikone on merkitty numerolla 1, jon- 00 35 ka jälkeen on kytketty kaksivaiheinen ahtoryhmä. Polttomoottorikoneesta 1 joh taa ensimmäinen, numerolla 2 merkitty pakokaasujohdon osuus turbiiniin 3, joka 2 käyttää akselin 4 kautta ahdinta 5. Turbiini 3 ja ahdin 5 muodostavat ahtoryhmän korkeapainevaiheen. Turbiinista 3 johtaa pakokaasujohdon jatko-osuus 6 ensimmäiseen pakokaasukattilaan 7. Pakokaasukattilan 7 läpi siirtyvä pakokaasu pääsee sen jälkeen pakokaasujohdon osuuden 8 kautta turbiiniin 9, joka on kytket-5 ty akselin 10 kautta ahtimeen 11. Turbiini 9 ja ahdin 11 muodostavat ahtoryhmän matalapainevaiheen. Turbiinista 9 pakokaasu pääsee pakokaasujohdon osuuden 12 kautta toiseen pakokaasukattilaan 13. Toisen pakokaasukattilan 13 poisto-aukko on kytketty johdon 18 kautta ensimmäisen pakokaasukattilan 7 imuvent-tiiliin. Tässä toisen pakokaasukattilan 13 poisto-aukkoon sijoitetusta johdosta 19 10 haarautuu johto 25, joka johtaa toiseen ahtimeen, esimerkiksi kuumennuslait-teeseen. Johto 25 käsittää samoin kuten johto 19 kulloinkin erilaisille läpivirtaus-määrille säädettävän sulkuelimen 26 tai 27. Tällöin johto 25 voi lähteä myös suoraan pakokaasukattilasta 13.o In Figure 1, the piston combustion engine machine is designated 1, after which a two-stage supercharger is connected. From the internal combustion engine machine 1, the first portion of the exhaust gas, designated 2, leads to a turbine 3, which 2 drives the supercharger 5 through the shaft 4. From the turbine 3, an extension 6 of the exhaust pipe leads to the first exhaust boiler 7. The exhaust gas passing through the exhaust pipe 7 then passes through the exhaust pipe section 8 to the turbine 9 connected via the shaft 10 to the supercharger 11. The turbine 9 and the supercharger 11 From the turbine 9, the exhaust passes through the exhaust pipe section 12 to the second exhaust boiler 13. The outlet of the second exhaust boiler 13 is connected via a conduit 18 to the suction valve of the first exhaust boiler 7. Here, the conduit 19 10 located in the outlet opening of the second exhaust boiler 13 branches into a conduit 25 which leads to a second supercharger, for example a heating device. The conduit 25, like the conduit 19, comprises a shut-off member 26 or 27 adjustable to different flow rates, in which case the conduit 25 may also leave directly from the exhaust boiler 13.

Laitteiston käytössä tapahtuu myös lämpötilahäviön jakautuminen 15 analogisesti painehäviön jakautumiseen nähden molemmille turbiineille 3 ja 9. Molempien turbiinien välinen lämpötila on lämpötilojen välillä, jotka ovat ennen turbiinia 3 ja turbiinin 9 jälkeen. Koska pakokaasukattila 7 on järjestetty molempien turbiinien väliin, voidaan saavuttaa suhteellisen korkea höyrylämpötila. Jos käytetään pakokaasukattiloiden 7 ja 13 tuottamaa höyryä höyryturbiiniproses-20 sissa, tämä merkitsee suhteellisen korkeaa höyryturbiinin hyötysuhdetta.In operation of the apparatus, there is also a temperature loss distribution 15 analogous to the pressure loss distribution for both turbines 3 and 9. The temperature between the two turbines is between the temperatures before the turbine 3 and after the turbine 9. Since the exhaust gas boiler 7 is arranged between the two turbines, a relatively high vapor temperature can be achieved. If the steam produced by the exhaust gas boilers 7 and 13 is used in the steam turbine process-20, this means a relatively high efficiency of the steam turbine.

Pakokaasukattiloiden 7 ja 13 mitat määräytyvät toteutettavan tilavuus-virran perusteella. Koska pakokaasu turbiinien 3 ja 9 välissä ei ole vielä täysin vapautunut, tilavuusvirta pakokaasukattilan 7 läpi on pienempi kuin turbiinin 9 jälkeen. Tämä johtaa siihen, että pakokaasukattilan 7 mitat voidaan valita pie-25 nemmiksi.The dimensions of the exhaust boilers 7 and 13 are determined by the volume flow to be realized. Since the exhaust gas between the turbines 3 and 9 is not yet completely released, the volume flow through the exhaust boiler 7 is smaller than after the turbine 9. This results in that the dimensions of the exhaust boiler 7 can be selected as pie-25.

Ahtoilma virtaa ahtimen 11 läpi ja sen jälkeen sijoitetun lämmönvaih-5 timen 14 läpi, jossa se jäähdytetään. Lämmönvaihtimesta 14 ahtoilma pääseeThe supercharged air flows through the supercharger 11 and thereafter through a heat exchanger 5 disposed therein where it is cooled. 14 charge air from the heat exchanger

CNJCNJ

^ korkeapainepakokaasuturboahtimen ahtimeen 5, josta se johdetaan toisen ° lämmönvaihtimen 15 kautta iskumäntäpolttomoottorikoneeseen 1.to the supercharger 5 of the high pressure exhaust gas turbocharger, from where it is fed via a second heat exchanger 15 to the piston combustion engine machine 1.

° 30 Iskumäntäpolttomoottorikoneen 1 kuormitusmuutoksissa voi esiintyä | sellaisia ongelmia, että turbiinien 3 ja 9 väliin järjestetty pakokaasukattila 7 toi- ^ mii lämmönkerääjänä. Tämä saattaa johtaa siihen, että pakokaasuenergiatarjonta o § turbiinille 9 ontuu kuormitusmuutoksen jälkeen. Tämän välttämiseksi voidaan o käyttää pakokaasukattilaa 7, jossa on ohitusjohto 16. Ohitusjohto 16 lähtee osuu- 00 35 desta 6 ja päättyy osuuteen 8. Ohitusjohto 16 käsittää sulkuelimen 17, joka on tarkoituksenmukaisesti säädettävissä erilaisille läpivirtausmäärille. Osuudelle 6 3 on järjestetty ohitusjohdon 16 haarajohdon ja ensimmäisen pakokaasukattilan 7 väliin toinen sulkuelin 18. Jos sulkuelin 17 on suunniteltu läpivirtamäärän sääntelyyn, silloin sulkuelin 18 on toteutettu samalla tavalla. Molemmat sulkuelimet 17 ja 18 voidaan kytkeä, mitä ei ole esitetty piirustuksessa, sopivalla tavalla niin, 5 että sukuelimen 17 avautuminen saa samanaikaisesti aikaan sukuelimen 18 sulkeutumisen. Sukuelinten 17 ja 18 vastaavalla ohjauksella pakokaasu voidaan johtaa joko kiinteässä käytössä pakokaasukattilan 7 läpi tai kuormitusmuutoksissa tämän ohitse.° 30 The load changes of the percussion internal combustion engine 1 may occur | such problems that the exhaust gas boiler 7 arranged between the turbines 3 and 9 acts as a heat collector. This may result in the exhaust gas supply o § turbine 9 limiting after the load change. To avoid this, an exhaust gas boiler 7 with a bypass line 16 can be used. For section 6 3, a second closure member 18 is provided between the branch line of the bypass line 16 and the first exhaust boiler 7. If the closure member 17 is designed to control the flow rate, the closure member 18 is implemented in the same manner. Both closure members 17 and 18 may be coupled, not shown in the drawing, in a suitable manner such that the opening of the genital 17 will simultaneously result in the closing of the genital 18. By the respective control of the genitalia 17 and 18, the exhaust gas can be passed either in fixed use through the exhaust gas boiler 7 or during load changes thereafter.

Pakokaasukattilan 7 läpi tapahtuvan pakokaasuenergian poisvetämi-10 sen seurauksena on, että iskumäntäpolttomoottorikoneen ahtopaine laskee. Tietyissä rajoissa tämä on siedettävissä. Se voi kuitenkin johtaa lämpöongelmiin, jos ahtopaineen lasku tulee liian suureksi. Tässä tapauksessa ainakin toinen turbiineista 3, 9 voidaan varustaa erilaisille läpivirtausmäärille säädettävällä johtolaitteella.As a result of the exhaust energy withdrawal through the exhaust gas boiler 7, the supercharging pressure of the percussion piston engine machine is reduced. This is tolerable within certain limits. However, it can lead to heat problems if the charge pressure drop becomes too high. In this case, at least one of the turbines 3, 9 may be provided with a control device for adjusting different flow rates.

15 Toinen vaihtoehto tarjoutuu siten, että iskumäntäpolttomoottorikone varustetaan ohjausaikojen muuttuvaan säätämiseen tarkoitetulla laitteella. Esimerkiksi nelitahti-iskumäntäpolttomoottorikoneen tapauksessa tämä voi tapahtua siten, että imuventtiilien ohjausajat ovat muuttuvia. Nelitahti-iskumäntä-polttomoottorikoneen tapauksessa poistoventtiilien ohjausajat voidaan suunni-20 telia muuttuvasti säädettäväksi. Nelitahti-iskumäntäpolttomoottorikoneilla myöhemmällä imuventtiilin sulkemisella tai kaksitahti-iskumäntäpolttomoottori-koneilla aikaisemmalla poistoaukon sulkemisella voidaan vastustaa ahtopaineen laskun vaikutuksia korkealla höyrytuotannolla.Another alternative is that the piston combustion engine is provided with a device for variable control of control times. For example, in the case of a four-stroke stroke piston internal combustion engine, this can be done by varying the control times of the suction valves. In the case of a four stroke percussion piston internal combustion engine, the control valves for the exhaust valves can be designed to be adjustable up to 20 Telia. With four-stroke piston internal combustion engines with subsequent shut-off of the suction valve or with two-stroke piston internal combustion engines with earlier shut-off, it is possible to counteract the effects of lowering the charge pressure with high steam production.

Kuviossa 2 on esitetty eräs toinen suoritusmuunnos. Tässä osat, jot-25 ka täsmäävät kuvion 1 mukaisen laitteiston kanssa, on varustettu samoilla vii-temerkeillä. Kuvion 1 mukaiseen järjestelyyn on lisäksi järjestetty yhdensuuntai-o sesti jokaiseen turbiiniin 3, 9 nähden ohitusjohto 20 tai 21. Jokainen ohitusjoh-Figure 2 shows another embodiment. Here, parts matching the apparatus of Fig. 1 are provided with the same reference numerals. The arrangement of Figure 1 is further provided with a bypass line 20 or 21 parallel to each turbine 3, 9.

CNJCNJ

^ to 20, 21 käsittää sulkuelimen 22 tai 23. Sulkuelimet 22, 23 ovat puolestaan ^ säädettävissä erilaisille läpivirtausmäärille. Esitetyssä suoritusesimerkissä ohi- ° 30 tusjohdot 20, 21 on kytketty ohitusjohtoon 16 niin, että voidaan toteuttaa mo- | lemmat turbiinit 3, 9 ohittava ohitus. On kuitenkin myös mahdollista järjestää ai- ^ noastaan yksi ohitusjohto 20 tai 21.20 to 21 comprises a closing member 22 or 23. In turn, the closing members 22, 23 are adjustable for different flow rates. In the illustrated embodiment, the bypass lines 20, 21 are connected to the bypass line 16 so that the overpass line can be implemented. Lemma turbines 3, 9 bypassing bypass. However, it is also possible to arrange only one bypass line 20 or 21.

o § Ohitusjohdot 20, 21 ovat vaihtoehto turbiineille, joilla on säädettävä § johtolaite tai venttiilin muuttuvat ohjausajat. Jos pakokaasusta poistetaan lämpöä ^ 35 pakokaasukattilan 7 kautta, jolloin sulkuelin 18 on avoin ja sulkuelin 17 suljettu, niin ahtopaine on alhainen. Tässä tapauksessa sulkuelimet 22, 23 ovat suljetut.o § Bypass lines 20, 21 are an alternative to turbines that have an adjustable control unit or variable valve control times. If heat is removed from the exhaust gas through the exhaust gas boiler 7, with the closing member 18 open and the closing member 17 closed, the supercharging pressure is low. In this case, the closing members 22, 23 are closed.

44

Jos nyt pakokaasukattila 7 kytketään pois päältä sulkemalla sulkuelin 18 ja avaamalla sulkuelin 17, niin pakokaasusta ei poistu enää yhtään lämpöä pako-kaasukattilan kautta. Sen seurauksena ahtopaine nousee. Tämän kompensoimiseksi sulkuelimet 22, 23 on avattava. Turbiinit 3 ja 9 saavat siten ainoas-5 taan niin paljon pakokaasua, että vaadittu ahtopaine säilyy. Ei-tarvittu pakokaasu virtaa suoraan pakokaasukattilaan 13. Tässä tapauksessa on tarkoituksenmukaista sulkea myös sulkuelin 17.If the exhaust gas boiler 7 is now switched off by closing the shut-off element 18 and opening the shut-off element 17, no heat is removed from the exhaust gas through the exhaust gas boiler. As a result, the supercharging pressure rises. To compensate for this, the closing members 22, 23 must be opened. Thus, the turbines 3 and 9 only receive enough exhaust gas to maintain the required supercharging pressure. The unneeded exhaust gas flows directly to the exhaust boiler 13. In this case, it is also convenient to close the shut-off member 17.

CVJCVJ

δδ

CVJCVJ

oo ooo o

CVJCVJ

oo

XX

cccc

CLCL

OO

o o m o oo o m o o

CVJCVJ

Claims

An engine assembly comprising a reciprocating internal combustion piston engine engine, an exhaust turbocharger, and a device for converting exhaust gas heat to steam, wherein the first exhaust gas boiler (7) is provided with an exhaust gas boiler (2, 6, 8, 12). between the turbine (3) pressurized with exhaust gas and the turbine (9) pressurized with lower pressure, characterized in that a second exhaust boiler (13) is arranged behind the turbines on the exhaust path.

Motor installation according to Claim 1, characterized in that the first exhaust boiler (7) is arranged between a two-stage supercharged high pressure turbine (3) and a low pressure turbine (9).

Engine assembly according to claim 1 or 2, characterized in that the outlet of the second exhaust boiler (13) is connected via a conduit (18) to the inlet of the first exhaust boiler (7).

The engine assembly according to any one of the preceding claims, characterized in that the conduit (19) comprises a shut-off member (27) and that a second conduit (25) leading to the second supercharger is connected to the outlet of the second exhaust boiler (13).

Engine assembly according to any one of the preceding claims, characterized in that a bypass line (16) is provided for passing the first exhaust boiler (7) and a branch line and a first exhaust gas boiler (16) are provided for the bypass line (16) and 7) between the closure members (17, 18). c \ j

Motor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least one bypass line (20, 21) bypassing the turbine (3, 9) is provided and a closing member (22, Z 23) is provided on each bypass line (20, 21). ). o x 30

Motor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the closing means (17, 18, 22, 23, 26, 27) are adjustable for different flow rates. o

Motor installation according to one of the preceding claims, characterized in that the closing element (17) in the bypass line (16) and the closing element (18) in the exhaust gas line (6) are interconnected for common control.

Motor installation according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the turbines (3, 9) is provided with a control device for adjusting different flow rates.

Motor apparatus according to one of the preceding claims, characterized in that the percussion piston engine machine comprises a device for variable adjustment of the control times.

An engine assembly according to claim 10, comprising a four-stroke piston internal combustion engine machine according to any one of the preceding claims, characterized in that the control times of the suction valves are variable.

Motor assembly according to Claim 10, comprising a two-stroke piston internal combustion engine, characterized in that the control times for the exhaust valves are variable. CVJ δ CVJ i 00 o CVJ o X cc CL o o o m o o CVJ