气体燃料供应系统和用于操作气体燃料供应系统的方法技术方案

本发明专利技术涉及用于将加压气体燃料供应至船舶的主发动机及供应至船舶的其他气体燃料消耗器的系统，系统包括：储存容器；高压低温泵单元；第一供应导管；高压汽化器，第一供应导管自高压低温泵单元的出口延伸并且穿过高压汽化器，以将高压液化气体燃料流输送通过汽化器，从而将高压液化气体燃料流转变成用于主发动机的高压气体燃料流；蒸发气体导管；第一热交换器；第二供应导管，其中蒸发气体导管穿过第一热交换器，以用于在第一热交换器中对蒸发气体流进行热交换，压缩机单元使蒸发气体流的压力增加以产生加压气体燃料流；再液化导管。本发明专利技术还涉及用于向船舶的主发动机供应高压气体燃料及向船舶的加压气体燃料消耗器供应加压气体燃料流的方法。

【技术实现步骤摘要】
气体燃料供应系统和用于操作气体燃料供应系统的方法
本专利技术涉及用于向具有十字头的大型二冲程单流式扫气内燃发动机提供加压气体燃料的供应的气体燃料供应系统，并且涉及用于操作这种气体燃料供应系统的方法。
技术介绍
具有十字头的大型二冲程涡轮增压单流式扫气内燃发动机例如用于推进大型远洋船舶或者用作发电厂中的原动机。这些二冲程柴油发动机不仅由于尺寸庞大，而且其结构也不同于任何其他内燃发动机。这些大型二冲程涡轮增压单流式扫气内燃发动机越来越多地被供以气体燃料比方说例如液化天然气(LNG)或液化石油气LPG来代替常规液体燃料比方说例如船用柴油或重质燃料油。这种对气体燃料的改变主要是由减少排放物和提供更加环保的原动机的愿望所驱使的。向气体燃料的发展已导致开发了两种不同类型的使用气体燃料作为主要燃料的大型二冲程涡轮增压内燃发动机。第一种类型的发动机是直接喷射型发动机，在该直接喷射型发动机中，气体燃料在高压下围绕上死点(TDC)喷射，并且点火是由压缩(由压缩引起的高温)引起的，即，这些发动机根据柴油机循环来运行。气体燃料在被喷射到燃烧室中的那一刻被点火，并且不存在与由于低空气过量比引起的预点火或由于高空气过量比引起的打不着火有关的问题。与常规的液体燃料操作的大型二冲程涡轮增压内燃发动机相比，第一类型的气体燃料操作的大型二冲程涡轮增压内燃发动机的有效压缩比是相等高的或甚至更高。通常，这种类型的发动机的有效压缩比在约15至约17之间，而几何压缩比为约30。由于高压缩比，第一类型的发动机的优点是具有非常高的燃料效率。另一优点是与第二类型的发动机相比存在低得多的预点火和打不着火的风险。然而，为了能够在TDC处或TDC附近喷射气体燃料，供应至将气体燃料喷射到燃烧室中的燃料阀的气体燃料的压力必须显著高于燃烧室中的压缩压力。实际上，气体燃料需要以至少250巴但优选地至少300巴的压力被喷射到燃烧中。泵或泵送站将液化的气体燃料的压力增加到例如300巴，并且随后，高压液化燃料在高压汽化单元中被汽化并且在高压下以气体形式被输送至主发动机的燃料喷射阀。与常规液体燃料的供应系统相比，该供应系统是昂贵的。气体燃料比方说例如天然气与常规燃料相比具有非常低的能量密度。为了用作方便的能源，需要增加所述密度。这是通过使气体燃料冷却至低温温度来完成的，在天然气的示例中是通过产生液化天然气(LNG)来完成的。用于这样的气体操作的发动机的气体燃料供应系统包括隔绝容器，在该隔绝容器中储存有液化气体，从而使液化气体在液体状态下保持更长的时间。然而，来自周围环境的热通量将会增加容器内部的温度，从而使液化气体汽化。来自该过程的气体被称为蒸发气体(BOG)。来自容器的蒸发引起气体燃料的基本上稳定的流动，该气体燃料需要从容器中被移除并且需要被处理。在180.0000m3的LNG油轮上，需要处理的BOG的量为几吨/小时，通常为约3000kg/小时，而这种类型的LNG油轮的主发动机的气体功率需求为约4000kg/小时(假设实践中主发动机的所有能源都是天然气)。使用压缩机将这种蒸发气体的压力增加至约300巴的喷射压力在技术上是非常具有挑战性的，并且因此BOG不可以用作第一类型高压气体喷射大型二冲程涡轮增压内燃发动机的燃料。使用压缩机，BOG可以增加至例如10巴-20巴的压力，这允许BOG用于可以用该压力对气体燃料进行操作的应用中，比方说例如用于通常与安装在船舶中的大型二冲程涡轮增压内燃发动机相关联的发电机组的应用中(发电机组是显著小于大型二冲程涡轮增压内燃发动机的四冲程内燃发动机，并且发电机组用于驱动发电机/交流发电机，以为船舶产生电能和热。替代性地，蒸发气体可以在例如低温发生器中被再液化。然而，再液化需要昂贵的设备并且消耗大量的能量。作为最后的应急方法，可以简单地烧掉蒸发气体。WO2016058611A1公开了一种第一类型的大型二冲程涡轮增压单流式扫气内燃发动机。DK201670361A1公开了一种第一类型的大型二冲程涡轮增压单流式扫气内燃发动机，以及一种用于将用于高压喷射的高压气体燃料输送到燃烧室中的气体供应系统。第二类型的发动机是所谓的低压气体发动机，在该低压气体发动机中，气体燃料与扫气用空气混合，并且该第二类型的发动机对燃烧室中的气体燃料和扫气用空气的混合物进行压缩。在第二类型的发动机中，气体燃料由沿着气缸套的长度居中布置的燃料阀进入，即，在活塞的向上冲程期间在排气阀关闭之前开始进入。活塞对燃烧室中的气体燃料和扫气用空气的混合物进行压缩，并且通过定时点火装置比方说例如先导油喷射而在上死点(TDC)处或上死点附近对压缩的混合物进行点火。该第二类型的发动机的优点在于，由于当气体燃料进入时燃烧室中的压力相对较低，因此第二类型的发动机可以通过在例如约15巴的相对较低的压力下被供应的气体燃料运行。因此，第二类型的发动机可以利用通过使用压缩机站而增加压力的BOG来运行。因此，用于第二类型的发动机的气体供应系统可以比用于第一类型的发动机所需的气体供应系统便宜，特别是由于用于第一类型的发动机的气体供应系统需要能够处理由容器产生的BOG流，并且锅炉和发电机组仅可以处理该BOG流的一部分，并且因此需要在第一类型的发动机的气体燃料供应系统中安装相对昂贵的再液化系统并且对该再液化系统进行操作。然而，由于第二类型的发动机对燃烧室中的混合物进行压缩，因此与第一类型的发动机相比，第二类型的发动机需要以显著较低的有效压缩比运行。通常，第一类型的发动机将以在约15至约17之间的有效压缩比运行，而第二类型的发动机将以约7至约9之间的有效压缩比运行，其中，第二类型的发动机的几何压缩比为约13.5。这种明显较低的几何确定的压缩比导致与第一类型的发动机相比的第二类型的发动机的显著更低的能量效率，并且还导致与第一类型的类似尺寸的发动机相比的第二类型的发动机的较低的最大持续额定值。此外，第二类型的发动机通常需要预燃室和定时点火系统以提供可靠的点火。第二类型的发动机的另一缺点是，在活塞的向上冲程期间需要非常精确地控制燃烧室中的空气过量比和整体温度，以避免由于(局部)过低的空气过量比和/或过高的整体温度而引起的预点火，并且以避免由于过高的空气过量比和/或过低的整体温度而引起的打不着火。产生均匀的混合物的适当混合对于避免燃烧室中可能导致预点火或打不着火的局部条件而言是至关重要的。对燃烧室中的这些条件进行控制在瞬时操作中是特别困难的。KR20130051539公开了一种根据权利要求1的前序部分所述的发动机和一种根据权利要求6的前序部分所述的方法。DK201770703公开了一种第二类型的大型二冲程涡轮增压单流式扫气内燃发动机。因此，需要一种大型二冲程涡轮增压单流式扫气内燃发动机，其能够以气体燃料作为主要燃料来运行，以克服或至少减少以上所描述的第一类型的发动机和第二类型的发动机的缺点。此外，需要一种用于将气体燃料供应至大型二冲程涡轮增压单流式扫气内燃发动机中的气体供应系统，该气体供应系统在可以用于在大型二冲程涡轮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于将加压气体燃料供应至船舶的主发动机以及供应至所述船舶的其他气体燃料消耗器的系统，所述系统包括：/n储存容器(26)，所述储存容器(26)在低温条件下储存液化气体燃料，/n高压低温泵单元(37)，所述高压低温泵单元(37)具有连接至所述储存容器(26)以用于向所述高压泵(37)供给液化气体燃料的入口，/n第一供应导管(36)，所述第一供应导管(36)连接至所述高压低温泵单元(37)的出口，/n高压汽化器(38)，/n所述第一供应导管自所述高压低温泵单元(37)的出口延伸并且穿过所述高压汽化器(38)以将高压液化气体燃料流输送通过所述汽化器(38)，从而将所述高压液化气体燃料流转变成用于所述主发动机的高压气体燃料流，/n蒸发气体导管(42)，所述蒸发气体导管(42)将所述储存容器(26)的蒸发气体出口连接至压缩机单元(48)的入口，从而将蒸发气体流输送至所述压缩机单元(48)，/n第一热交换器(43)，/n第二供应导管(41)，所述第二供应导管(41)连接至所述压缩机单元(48)的出口，以将加压气体燃料流的第一部分输送至一个或更多个加压气体燃料消耗器，以及/n所述系统的特征在于，/n所述蒸发气体导管(42)穿过所述第一热交换器(43)，以用于在所述第一热交换器(43)中对所述蒸发气体流进行热交换，/n所述压缩机单元(48)使所述蒸发气体流的压力增加以产生加压气体燃料流，/n再液化导管(46)，所述再液化导管(46)连接至所述压缩机单元(48)的所述出口，所述再液化导管(46)用于使所述加压气体燃料流的第二部分穿过所述第一热交换器(43)而与流动通过所述第一热交换器(43)的蒸发气体进行热交换，并且随后使所述加压气体燃料流的所述第二部分穿过所述汽化单元(38)而与流动通过所述汽化单元(38)的所述高压液化气体燃料流或所述高压汽化气体燃料流进行热交换。/n...

【技术特征摘要】
20190705 DK PA2019704401.一种用于将加压气体燃料供应至船舶的主发动机以及供应至所述船舶的其他气体燃料消耗器的系统，所述系统包括：
储存容器(26)，所述储存容器(26)在低温条件下储存液化气体燃料，
高压低温泵单元(37)，所述高压低温泵单元(37)具有连接至所述储存容器(26)以用于向所述高压泵(37)供给液化气体燃料的入口，
第一供应导管(36)，所述第一供应导管(36)连接至所述高压低温泵单元(37)的出口，
高压汽化器(38)，
所述第一供应导管自所述高压低温泵单元(37)的出口延伸并且穿过所述高压汽化器(38)以将高压液化气体燃料流输送通过所述汽化器(38)，从而将所述高压液化气体燃料流转变成用于所述主发动机的高压气体燃料流，
蒸发气体导管(42)，所述蒸发气体导管(42)将所述储存容器(26)的蒸发气体出口连接至压缩机单元(48)的入口，从而将蒸发气体流输送至所述压缩机单元(48)，
第一热交换器(43)，
第二供应导管(41)，所述第二供应导管(41)连接至所述压缩机单元(48)的出口，以将加压气体燃料流的第一部分输送至一个或更多个加压气体燃料消耗器，以及
所述系统的特征在于，
所述蒸发气体导管(42)穿过所述第一热交换器(43)，以用于在所述第一热交换器(43)中对所述蒸发气体流进行热交换，
所述压缩机单元(48)使所述蒸发气体流的压力增加以产生加压气体燃料流，
再液化导管(46)，所述再液化导管(46)连接至所述压缩机单元(48)的所述出口，所述再液化导管(46)用于使所述加压气体燃料流的第二部分穿过所述第一热交换器(43)而与流动通过所述第一热交换器(43)的蒸发气体进行热交换，并且随后使所述加压气体燃料流的所述第二部分穿过所述汽化单元(38)而与流动通过所述汽化单元(38)的所述高压液化气体燃料流或所述高压汽化气体燃料流进行热交换。


2.根据权利要求1所述的系统，包括节流装置(29)，所述节流装置(29)例如为膨胀阀(29)，所述节流装置(29)位于所述再液化导管(46)中且位于所述汽化单元(38)下游，以用于使所述加压气体燃料流经受节流过程。


3.根据权利要求1或2所述的系统，包...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼尔斯·克耶米库普，
申请(专利权)人：曼能解决方案曼能解决方案德国股份公司分公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK