RU2775797C1

RU2775797C1 - Power plant on liquefied natural gas

Info

Publication number: RU2775797C1
Application number: RU2021100305A
Authority: RU
Inventors: Виталий Викторович Асабин; Дмитрий Яковлевич Носырев; Лейла Салимовна Курманова; Сергей Александрович Петухов; Павел Викторович Летягин
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2022-07-11

Abstract

FIELD: engine building.

SUBSTANCE: power unit on liquefied natural gas consists of a gas diesel engine (7), a natural gas storage and supply system including a liquefied natural gas storage tank (1), an evaporator (2) with a heating medium supply pipeline (3), a line (4) for maintaining the pressure in the tank (1), air supply lines (16, 21). A spent gas discharge line (6) passes through the receiver (5). A gas-air mixer (8) is located between the receiver (5) and the gas diesel engine (7). The pressure maintaining line (4) connects the receiver (5) and the gas cavity (15) of the tank (1) via an electrically controlled valve (25). A gas-fuel mixer (24) is installed in the fuel supply line (9). A compressor (20) and a turbine (19), the output whereof is connected with the receiver (5), are connected to the air supply line and the spent gas discharge line. Water from the cooling system is supplied to the evaporator (2) as a heating medium.

EFFECT: increase in the efficiency and environmental safety of the unit, as well as improvement in the launch and operation indicators.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам и способам питания судовых двигателей внутреннего сгорания.The invention relates to engine building, in particular to systems and methods for powering marine internal combustion engines.

Известны способы питания газодизелей, при которых в качестве основного топлива используют природный газ, а дизельное топливо применяют в качестве запальной дозы, составляющей от 8 до 30% по отношению к общему количеству топлива. Такой способ позволяет уменьшить расход дизельного топлива и при общемировой тенденции снижения добычи нефти и, как следствие, увеличения ее цены имеет очевидные преимущества [Генкин К.И. Газовые двигатели. - М.: Машиностроение, 1977. - Стр. 156-167].Known methods of powering gas diesel engines, in which natural gas is used as the main fuel, and diesel fuel is used as an ignition dose, comprising from 8 to 30% with respect to the total amount of fuel. This method allows to reduce the consumption of diesel fuel and, with the global trend of reducing oil production and, as a result, increasing its price, has obvious advantages [Genkin K.I. gas engines. - M.: Mashinostroenie, 1977. - P. 156-167].

Известно устройство энергетической установки на сжиженном природном газе, состоящее из двигателя и системы хранения сжиженного природного газа и подачи природного газа в двигатель, включающей в себя резервуар для хранения сжиженного природного газа, испаритель сжиженного природного газа с линией подачи греющей среды, линию поддержания давления в резервуаре для хранения сжиженного природного газа, линию подачи воздуха в двигатель, трубопроводы с запорнорегулирующей арматурой, обеспечивающие подачу природного газа в двигатель и связь между резервуаром, испарителем и двигателем [патент РФ №2208747, опубл. 20.07.2003].A device for a liquefied natural gas power plant is known, consisting of an engine and a system for storing liquefied natural gas and supplying natural gas to the engine, including a tank for storing liquefied natural gas, an evaporator of liquefied natural gas with a heating medium supply line, a pressure maintenance line in the tank for storage of liquefied natural gas, an air supply line to the engine, pipelines with shut-off valves that provide natural gas supply to the engine and communication between the tank, evaporator and engine [RF patent No. 2208747, publ. July 20, 2003].

Недостатком такой энергетической установки является отсутствие возможности использования на судне в двухтопливного режима и использования дизельного топлива как резервного вида топлива в случае отсутствия или невозможности заправки судна сжиженным природным газом.The disadvantage of such a power plant is the inability to use the ship in a dual-fuel mode and use diesel fuel as a backup fuel in the absence or impossibility of refueling the ship with liquefied natural gas.

Известна судовая энергетическая установка на сжиженном природном газе, которая снабжена ресивером, расположенным после испарителя, линией отвода отработанных газов двигателя, проходящей через ресивер, газовоздушным смесителем, расположенным между ресивером и двигателем, линией подачи дизельного топлива, обратным клапаном между испарителем и ресивером, редукционным клапаном между ресивером и газовоздушным смесителем, при этом линия поддержания давления в резервуаре для хранения сжиженного природного газа соединяет через запорный клапан ресивер и газовую полость резервуара для хранения сжиженного природного газа, а в качестве греющей среды в испаритель подается забортная вода [патент РФ №2598478, опубл. 20.11.2015].Known ship power plant on liquefied natural gas, which is equipped with a receiver located after the evaporator, the exhaust line of the exhaust gases of the engine passing through the receiver, the gas-air mixer located between the receiver and the engine, the diesel fuel supply line, a check valve between the evaporator and the receiver, a pressure reducing valve between the receiver and the gas-air mixer, while the pressure maintenance line in the liquefied natural gas storage tank connects the receiver and the gas cavity of the liquefied natural gas storage tank through a shut-off valve, and sea water is supplied to the evaporator as a heating medium [RF patent No. 2598478, publ. . 11/20/2015].

Недостатком такой энергетической установки являются высокие эксплуатационные расходы, выбросы вредных веществ в окружающую среду.The disadvantage of such a power plant is high operating costs, emissions of harmful substances into the environment.

Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.This technical solution was chosen by the authors as a prototype.

Техническим результатом является снижение эксплуатационных расходов, выбросов вредных веществ в окружающую среду, а также улучшение пусковых показателей.The technical result is a reduction in operating costs, emissions of harmful substances into the environment, as well as an improvement in starting performance.

Технический результат достигается тем, что в энергетическую установку на сжиженном природном газе состоящую из газодизеля, системы хранения сжиженного природного газа и подачи природного газа в газодизель, включающей в себя резервуар для хранения сжиженного природного газа, испаритель сжиженного природного газа с подводящим трубопроводом греющей среды, линию поддержания давления в резервуаре для хранения сжиженного природного газа, линию подачи воздуха, линию подачи воздуха в газодизель, ресивер, расположенный после испарителя, линию отвода отработавших газов, проходящей через ресивер, газовоздушный смеситель, расположенный между ресивером и газодизелем, линию подачи дизельного топлива, обратный клапан между испарителем и ресивером, редукционный клапан между ресивером и газовоздушным смесителем, при этом линия поддержания давления в резервуаре для хранения сжиженного природного газа соединяет через электроуправляемый клапан ресивер и газовую полость резервуара для хранения сжиженного природного газа дополнительно в линию подачи топлива установлен газотопливный смеситель, соединенный с линией поддержания давления в резервуаре через электроуправляемые клапаны, выход которого через электроуправляемый клапан соединен с топливной системой газодизеля, а в линии подачи воздуха и отвода отработавших газов подключены компрессор и турбина дополнительно установленного турбокомпрессора, причем выход компрессора соединен с входом газовоздушного смесителя, вход турбины соединен с выходом отработавших газов газодизеля, выход турбины соединен с ресивером через линию отвода отработавших газов, а в качестве греющей среды в испаритель подается вода из системы охлаждения.The technical result is achieved by the fact that in a power plant running on liquefied natural gas, consisting of a gas diesel engine, a storage system for liquefied natural gas and supplying natural gas to gas diesel, including a tank for storing liquefied natural gas, an evaporator of liquefied natural gas with a heating medium supply pipeline, a line maintaining pressure in the storage tank for liquefied natural gas, air supply line, air supply line to gas diesel, receiver located after the evaporator, exhaust gas line passing through the receiver, gas-air mixer located between the receiver and gas diesel, diesel fuel supply line, return a valve between the evaporator and the receiver, a pressure reducing valve between the receiver and the gas-air mixer, while the pressure maintenance line in the liquefied natural gas storage tank connects the receiver and the gas cavity of the liquefied natural gas storage tank through an electrically controlled valve natural gas, in addition to the fuel supply line, a gas-fuel mixer is installed, connected to the line for maintaining pressure in the tank through electrically controlled valves, the outlet of which is connected through an electrically controlled valve to the gas diesel fuel system, and a compressor and a turbine of an additionally installed turbocharger are connected to the air supply and exhaust gas lines, moreover, the compressor outlet is connected to the gas-air mixer inlet, the turbine inlet is connected to the gas diesel exhaust gas outlet, the turbine outlet is connected to the receiver through the exhaust gas outlet line, and water from the cooling system is supplied to the evaporator as a heating medium.

Введение газотопливного смесителя позволит получить высокодисперсную однородную (гомогенную) смесь горючего газа и дизельного топлива с водородом или синтез-газом для успешного перемешивания до однородного состава по всему объему камеры сгорания.The introduction of a gas-fuel mixer will make it possible to obtain a highly dispersed homogeneous (homogeneous) mixture of combustible gas and diesel fuel with hydrogen or synthesis gas for successful mixing to a homogeneous composition throughout the volume of the combustion chamber.

Введение компрессора и турбины, образующих турбокомпрессор позволит не допустить падение мощности газодизеля, сохранив максимальную частоту вращения коленчатого вала на всех режимах работы газодизеля, а также облегчить его пуск.The introduction of a compressor and a turbine forming a turbocharger will prevent a drop in the power of the gas diesel engine, maintaining the maximum crankshaft speed in all operating modes of the gas diesel engine, and also facilitate its start-up.

Введение блока управления позволит обеспечить регулирование процесса, улучшая полноту сгорания и снижая выбросы вредных веществ.The introduction of a control unit will ensure the regulation of the process, improving the completeness of combustion and reducing emissions of harmful substances.

На фиг. приведена энергетическая установка на сжиженном природном газе.In FIG. the power plant on liquefied natural gas is shown.

Энергетическая установка на сжиженном природном газе содержит резервуар для хранения сжиженного природного газа 1, испаритель сжиженного природного газа 2, подводящий трубопровод греющей среды 3, линию поддержания давления 4, ресивер 5, линию отвода отработанных газов 6, двигатель 7, газовоздушный смеситель 8, линию подачи дизельного топлива 9, обратный клапан 10, редукционный клапан 11, вал 12, гребневой винт 13, редуктор 14, газовую полость 15, линию подачи воздуха 16, обратный клапан 17, электроуправляемые клапаны 11, 18, 22, 25, 26, турбину турбокомпрессора 19, компрессор турбокомпрессора 20, линию подачи воздуха в газовоздушный смеситель 21, блок управления 23, газотопливный смеситель 24, отводящий трубопровод греющей среды 27.The liquefied natural gas power plant comprises a storage tank for liquefied natural gas 1, an evaporator of liquefied natural gas 2, a heating medium supply pipeline 3, a pressure maintenance line 4, a receiver 5, an exhaust gas line 6, an engine 7, a gas-air mixer 8, a supply line diesel fuel 9, check valve 10, pressure reducing valve 11, shaft 12, comb screw 13, gearbox 14, gas cavity 15, air supply line 16, check valve 17, electrically controlled valves 11, 18, 22, 25, 26, turbocharger turbine 19 , turbocharger compressor 20, air supply line to the gas-air mixer 21, control unit 23, gas-fuel mixer 24, heating medium outlet pipeline 27.

Энергетическая установка на сжиженном природном газе работает следующим образом.Power plant on liquefied natural gas operates as follows.

Двигатель 7 запускается на дизельном топливе, подаваемом по линии подачи дизельного топлива 9, и смешивается с воздухом, поступающим в двигатель 7 по линии подачи воздуха 16 через компрессор 20 турбокомпрессора, далее по линии подачи воздуха 21 в смесителе 8. Затем переходит на газодизельный режим работы. Горячие отработанные газы поступают из двигателя 7 на лопатки турбины 19 турбокомпрессора и по линии отвода отработанных газов 6 в ресивер 5, где нагревают хранящийся там газообразный природный газ, при этом повышается температура и давление природного газа. Нагретый природный газ с повышенным давлением из ресивера 5 через электроуправляемый клапан 18 по линии поддержания давления 4 поступает в газовую полость 15 резервуара для хранения сжиженного природного газа 1. За счет высокого давления в газовой полости 15 сжиженный природный газ передавливается через обратный клапан 17 в испаритель 2. В испаритель 2 поступает необходимый объем воды из системы охлаждения для газификации сжиженного природного газа путем регулирования с помощью подводящего трубопровода греющей среды 3 и отводящего трубопровода греющей среды 27. Газифицированный природный газ из испарителя 2 через обратный клапан 10 поступает в ресивер 5. Ресивер 5 выполнен необходимого объема, что обеспечивает необходимый запас газообразного природного газа для обеспечения стабильной работы двигателя 7 на переходных режимах и номинальной мощности. Это также позволяет снизить объем испарителя 2, упростить систему регулирования и обеспечить надежность работы энергетической установки в целом. Из ресивера 5 газообразный природный газ поступает в газовоздушный смеситель 8 через редукционный клапан 11, при этом снижается его давление до необходимого уровня. В газовоздушном смесителе 8 природный газ смешивается с воздухом, поступающим по линии подачи воздуха 16. Далее газовоздушная смесь подается в двигатель 7. При подаче газовоздушной смеси вместо чистого воздуха увеличивается теплотворная способность топлива в двигателе 7, что позволяет сократить подачу дизельного топлива. Дальнейшее увеличение подачи природного газа при выходе энергетической установки на номинальную мощность позволяет уменьшить объем подачи дизельного топлива до объема запальной дозы, обеспечивающей возгорание топливной смеси в двигателе 7 от сжатия, что составляет от 8 до 30% обычного расхода дизельного топлива. Уменьшение потребления дизельного топлива снижает концентрацию токсичных компонентов в отработанных газах, улучшая экологические параметры энергетической установки, и снижает эксплуатационные затраты за счет замещения дорогого дизельного топлива более дешевым природным газом. В двигателе 7 сгорание газовоздушной смеси и запальной дозы дизельного топлива преобразуется в полезную механическую, вращательную энергию вала 12. Полезная механическая энергия передается от двигателя 7 валом 12 через редуктор 14, где происходит понижение или повышение оборотов, на гребной винт 13, который приводит в движение транспортное средство.The engine 7 starts on diesel fuel supplied through the diesel fuel supply line 9 and mixes with air entering the engine 7 through the air supply line 16 through the turbocharger compressor 20, then through the air supply line 21 in the mixer 8. Then it switches to the gas-diesel mode of operation . Hot exhaust gases flow from the engine 7 to the turbine blades 19 of the turbocharger and through the exhaust gas line 6 to the receiver 5, where the gaseous natural gas stored there is heated, while the temperature and pressure of the natural gas increase. Heated natural gas with increased pressure from the receiver 5 through the electrically controlled valve 18 through the pressure maintenance line 4 enters the gas cavity 15 of the storage tank for liquefied natural gas 1. Due to the high pressure in the gas cavity 15, the liquefied natural gas is transferred through the check valve 17 to the evaporator 2 The evaporator 2 receives the required volume of water from the cooling system for the gasification of liquefied natural gas by regulating the heating medium 3 inlet pipeline and the heating medium outlet pipeline 27. Gasified natural gas from the evaporator 2 through the check valve 10 enters the receiver 5. The receiver 5 is made the required volume, which provides the necessary supply of gaseous natural gas to ensure stable operation of the engine 7 in transient conditions and rated power. This also makes it possible to reduce the volume of the evaporator 2, simplify the control system and ensure the reliability of the operation of the power plant as a whole. From the receiver 5, gaseous natural gas enters the gas-air mixer 8 through the pressure reducing valve 11, while its pressure is reduced to the required level. In the gas-air mixer 8, natural gas is mixed with air supplied through the air supply line 16. Then the gas-air mixture is fed into the engine 7. When the gas-air mixture is supplied instead of pure air, the calorific value of the fuel in the engine 7 increases, which reduces the supply of diesel fuel. A further increase in the supply of natural gas when the power plant reaches its rated power makes it possible to reduce the volume of diesel fuel supply to the volume of the ignition dose, which ensures ignition of the fuel mixture in the engine 7 from compression, which is from 8 to 30% of the usual diesel fuel consumption. Reducing the consumption of diesel fuel reduces the concentration of toxic components in the exhaust gases, improving the environmental parameters of the power plant, and reduces operating costs by replacing expensive diesel fuel with cheaper natural gas. In the engine 7, the combustion of the gas-air mixture and the ignition dose of diesel fuel is converted into useful mechanical, rotational energy of the shaft 12. Useful mechanical energy is transmitted from the engine 7 by the shaft 12 through the gearbox 14, where the speed decreases or increases, to the propeller 13, which drives vehicle.

При работе на дизельном топливе электроуправляемые клапаны 11, 18, 22, 25 - закрыты, а электроуправляемый клапан 26 открыт.При работе на дизельном топливе с добавками в топливо природного газа через газотопливный смеситель 24, электроуправляемые клапаны 11, 25 - закрыты, а электроуправляемые клапаны 22, 26 открыты. При работе на природном газе все электроуправляемые клапаны И, 18, 22, 25, 26 открыты.When operating on diesel fuel, the electrically controlled valves 11, 18, 22, 25 are closed, and the electrically controlled valve 26 is open. 22, 26 open. When operating on natural gas, all electrically controlled valves I, 18, 22, 25, 26 are open.

Режимы работы энергетической установки устанавливаются блоком управления 23, входящем в состав автоматизированной системой управления, через воздействие на газотопливный смеситель, в соответствии с заложенными ограничениями и экспериментально установленной эффективностью этих режимов нагрузочной характеристики: запуск, прогрев, холостой ход, низкие нагрузки, средние и максимальные нагрузки, а также повышение нагрузки и сброс нагрузки.The operating modes of the power plant are set by the control unit 23, which is part of the automated control system, through the impact on the gas-fuel mixer, in accordance with the inherent restrictions and the experimentally established efficiency of these modes of the load characteristic: start-up, warm-up, idling, low loads, medium and maximum loads , as well as load increase and load shedding.

Предлагаемая энергетическая установка на сжиженном природном газе позволит повысить эффективность и экологическую безопасность, улучшить пусковые и эксплуатационные показатели. Также появится возможность работы энергетической установки при запуске и холостом ходу на дизельном топливе, а на средних и максимальных нагрузках с добавками природного газа и на природном газе с запальной дозой дизельного топлива.The proposed power plant running on liquefied natural gas will improve efficiency and environmental safety, improve start-up and operational performance. It will also be possible to operate the power plant at start-up and idle on diesel fuel, and at medium and maximum loads with natural gas additives and on natural gas with an ignition dose of diesel fuel.

Claims

Liquefied natural gas power plant, consisting of a gas diesel engine, a system for storing liquefied natural gas and supplying natural gas to gas diesel, including a storage tank for liquefied natural gas, an evaporator for liquefied natural gas with a heating medium supply pipeline, a line for maintaining pressure in the storage tank liquefied natural gas, air supply line, air supply line to gas diesel, receiver located after the evaporator, exhaust gas line passing through the receiver, gas-air mixer located between the receiver and gas diesel, diesel fuel supply line, check valve between the evaporator and receiver, a pressure reducing valve between the receiver and the gas-air mixer, while the pressure maintenance line in the liquefied natural gas storage tank connects the receiver and the gas cavity of the liquefied natural gas storage tank through an electrically controlled valve, characterized in that in the line a gas-fuel mixer is installed at the fuel supply line, connected to the line for maintaining pressure in the tank through electrically controlled valves, the outlet of which is connected through an electrically controlled valve to the gas diesel fuel system, and a compressor and a turbine of an additionally installed turbocharger are connected to the air supply and exhaust gas outlet lines, and the compressor outlet is connected with the inlet of the gas-air mixer, the inlet of the turbine is connected to the outlet of the exhaust gases of the gas diesel engine, the outlet of the turbine is connected to the receiver through the exhaust gas line, and water from the cooling system is supplied to the evaporator as a heating medium.