一種用于內(nèi)燃機的燃氣供應系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于內(nèi)燃機(5)的燃氣供應系統(tǒng)具有定位在液化氣存儲罐(4)外側(cè)的至少一個燃氣泵(29)，并且泵經(jīng)由用于液化氣的罐出口管線(26)連接到罐中的液化氣。熱交換回路包括壓縮機(35)和其下游的第一熱交換器(30)，和膨脹裝置(36)以及第二熱交換器(37)，所述第一熱交換器與在燃氣泵和最終熱交換器(31)中間的燃氣供應管線(25)連接。
【專利說明】
一種用于內(nèi)燃機的燃氣供應系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及用于內(nèi)燃機的燃氣供應系統(tǒng)，燃氣供應系統(tǒng)包括液化氣存儲罐、燃氣 供應管線和具有工作流體的熱交換回路，所述燃氣供應管線包括用于液化氣的罐出口管 線、用于將燃氣加壓到用于內(nèi)燃機的燃氣供應壓力的至少一個燃氣栗和定位在所述至少一 個燃氣栗下游的最終熱交換器，并且所述熱交換回路至少包括壓縮機和在其下游的第一熱 交換器和膨脹裝置以及定位在所述膨脹裝置下游的第二熱交換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 內(nèi)燃機在船舶中用作推進發(fā)動機，所述船舶比如為貨柜船、散貨船、油輪和液化天 然氣船。內(nèi)燃機通常地是聯(lián)接到推進器軸和使用燃料的直接噴射的較大的二沖程十字頭發(fā) 動機，并且因此在輸送到內(nèi)燃機之前，燃氣必須被較高地加壓。對于液化天然氣船，已知的 是制造在約250巴的壓力下將燃氣傳輸?shù)絻?nèi)燃機的燃氣供應系統(tǒng)，其中燃氣是直接來自液 化天然氣貨物存儲罐的液化燃氣或再液化蒸發(fā)氣體(B0G)。
[0003] 被認為是Cryostar EcoRel系統(tǒng)的該類型的燃氣供應系統(tǒng)被圖示在圖1中，其中來 自罐T的頂部的B0G管線A連接到壓縮機B的入口，通過B0G減溫器C和B0G冷凝器D將B0G傳輸 到擴容罐E。用于液化天然氣的罐出口管線設(shè)置有浸沒在罐T中的液化天然氣內(nèi)的栗G，并且 當蒸發(fā)在罐中的氣體的速度不足以滿足內(nèi)燃機中的氣體燃料消耗時，栗G可以被激活以將 液化天然氣轉(zhuǎn)移到擴容罐E。擴容罐E是具有最小存儲容量的液化氣存儲罐，并且可以尺寸 形成為用于內(nèi)燃機的日用罐，使得日用罐存儲用于發(fā)動機的至少數(shù)小時操作的許多液化天 然氣。
[0004] 浸沒在擴容罐E中的液化天然氣內(nèi)的栗Η用作用于至少一個燃氣栗I的啟動栗，所 述至少一個燃氣栗I用于將燃氣加壓到約250巴的燃氣壓力，并且被加壓燃氣經(jīng)由最終熱交 換器J被傳輸?shù)絻?nèi)燃機Κ上的氣體燃料入口。最終熱交換器J被提供來自加熱源L的溫暖流 體，并且將燃氣加熱到約45°C的溫度，使得燃氣在發(fā)動機中是可接受的。
[0005] 蒸發(fā)氣體的冷卻和冷凝被使用氮作為工作流體的熱交換回路影響。氮在壓縮機N 中的三級內(nèi)被壓縮，在每級之后冷卻氮，并且然后氮通過熱交換器，并且被傳送到低溫膨脹 渦輪機P并且首先被傳輸通過B0G冷凝器D和然后B0G減溫器C，并且經(jīng)由熱交換器返回到壓 縮機N。壓縮機和膨脹渦輪機被布置在共用的單個變速箱中。
[0006] JP 2009-204026 A描述了另一B0G液化系統(tǒng)，所述另一B0G液化系統(tǒng)用于再液化 B0G并且將B0G返回到存儲罐，使得氣體通過蒸發(fā)的損耗被避免。來自存儲罐的液化氣可以 通過浸沒在存儲罐中的液化氣內(nèi)的栗被抽吸出，并且在罐外的另一栗中被進一步地加壓到 約100巴到120巴的壓力，并且被提供到內(nèi)燃機。
[0007] 從美國專利7，690,365B2已知另一B0G液化系統(tǒng)，所述另一B0G液化系統(tǒng)用于為液 化天然氣船中的內(nèi)燃機供應在200巴到300巴的傳送壓力下的燃氣。浸沒在液化氣存儲罐中 的液化天然氣內(nèi)的第一燃氣栗經(jīng)由熱交換器向高壓燃氣栗提供在約30巴的壓力下的液化 天然氣。來自罐的蒸發(fā)氣體被壓縮和傳輸通過熱交換器，其中液化天然氣冷卻B0G，并且被 液化BOG返回到存儲罐。在該系統(tǒng)中沒有具有工作流體的適當?shù)臒峤粨Q回路。
[0008] 沒有熱交換回路的其它系統(tǒng)是已知的。美國專利5，884,488描述了定位在比液化 天然氣罐更低的液面處的液化天然氣栗，由于重力并且通過B0G允許栗被提供液化天然氣。 栗是抽吸液相和氣相兩者的專用設(shè)計。W0 2013/170964描述了高壓栗，所述高壓栗被從罐 中的啟動栗提供在5.4巴的預壓力下的液化石油氣或液化天然氣。
[0009] 在港口之間的航行過程中，天氣導致發(fā)動機載荷的不同，因而和由內(nèi)燃機對燃氣 的消耗速度的不同，和到液化氣存儲罐的熱輸入的不同，并且該不同還發(fā)生在白天和夜晚 之間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的一個目的是提供在高壓下具有非?？煽康娜細夤娜細夤到y(tǒng)。 [0011]為此，根據(jù)本發(fā)明的燃氣供應系統(tǒng)的特征在于:至少一個燃氣栗定位在液化氣存 儲罐外側(cè)，并且能夠經(jīng)由用于液化氣的罐出口管線連接至在其中的液化氣，并且熱交換回 路中的第一熱交換器與在燃氣栗和最終熱交換器中間的燃氣供應管線連接，并且熱交換回 路中的第二熱交換器定位在液化氣存儲罐中或在與液化氣存儲罐中的液化氣連通的液化 氣流管線處。
[0012] 液化氣存儲罐是以下構(gòu)造，當填充有液化氣時，所述構(gòu)造難以訪問，并且由于罐中 的較低溫度，定位在罐中的所有設(shè)備都應該優(yōu)選地為簡單設(shè)計?？梢跃哂袉蝹€燃氣栗，或兩 個或多個燃氣栗，并且該栗或這些栗被定位在液化氣存儲罐外側(cè)。對于系統(tǒng)的可靠性，特別 是操作的可靠性，優(yōu)點是將燃氣栗定位在罐也更容易訪問的罐外側(cè)。
[0013] 第二熱交換器沒有移動部件，并且被安裝在罐中以作為固定構(gòu)造。可選地，第二熱 交換器被定位在與液化氣存儲罐中的液化氣連通的液化氣流管線上。在后者的情況下，液 化氣流過第二熱交換器并且進入液化氣存儲罐中，并且在前者的情況下，第二熱交換器直 接地作用在液化氣存儲罐中的液化氣上。第二熱交換器執(zhí)行罐中的液化氣的冷卻，并且該 冷卻導致液化氣具有低于氣體的沸點的溫度。氣體的沸點是依賴壓力的，以此方式，當壓力 較低時，沸騰在較低溫度下出現(xiàn)。由于在罐中在該壓力下在沸點以下的冷卻，可以減少液化 氣的壓力并且然而避免由于沸騰而形成氣態(tài)氣體。如果需要，則定位在罐外側(cè)的燃氣栗因 而可以經(jīng)由用于液化氣的罐出口管線在罐中的液化氣上施加吸力，而沒有同時導致液化氣 沸騰。燃氣栗僅接收沒有氣態(tài)氣體的液化氣，并且因而在操作中栗是非?？煽康?。
[0014]燃氣到發(fā)動機的供應基于來自液化氣存儲罐的液化氣而非基于蒸發(fā)氣體，并且燃 氣供應獨立于天氣條件和消耗速度的變化，并且這改進了在高壓下到內(nèi)燃機的燃氣供應的 可靠性。
[0015]優(yōu)選的是，燃氣栗的燃氣壓力在200巴到700巴的范圍中。對于某些實施例，可以使 用更高的燃氣壓力，諸如750巴的壓力。然而，700巴的最大壓力限制用于獲得壓力的能量消 耗。燃氣直接地噴射進入內(nèi)燃機的燃燒室中，并且這通常要求高于200巴的壓力。因此適當 的是，燃氣栗的燃氣壓力在從250巴到450巴的范圍中。
[0016]在優(yōu)選的實施例中，第三熱交換器定位在熱交換回路中的膨脹裝置下游和燃氣供 應管線中的至少一個燃氣栗的上游。在該位置的情況下，罐出口管線傳輸通過第三熱交換 器并且被熱交換回路冷卻。僅在工作流體通過第三熱交換器之前，諸如氮的工作流體已經(jīng) 通過膨脹裝置，并且因而在熱交換回路中位于其最低溫度處。第三熱交換器有效地確保，當 進入至少一個燃氣栗的入口中時，罐出口管線中的氣體燃料將位于最低溫度處。
[0017] 在一個實施例中，壓縮機的尺寸形成為將工作流體壓縮到40巴到120巴的范圍中 的最大壓力。在來自壓縮機的出口處的工作流體中的期望壓力是在膨脹裝置中獲得較高水 平的壓力減少與操作壓縮機所需要的動力之間的平衡。壓力可以低于40巴，諸如10巴、25巴 或35巴。當期望較好的效率時，壓力可以優(yōu)選地高于工作流體的臨界點處的壓力，使得在其 流過第一熱交換器的過程中，工作流體位于超臨界狀態(tài)中。
[0018] 在一個實施例中，膨脹裝置適于提供在1巴到12巴的范圍中的下游壓力。期望壓力 范圍依賴于工作流體。壓力范圍的上端優(yōu)選地具有該壓力，使得在該壓力處的工作流體具 有比罐中的液化氣的沸點更低的沸點，并且如果氮用作工作流體，則12巴的壓力對應于約-165 °C的沸點，并且1巴的壓力對應于約-196 °C的沸點。在膨脹裝置的出口處在約5巴的優(yōu)選 壓力下，氮具有約-178Γ的沸點，并且因而工作流體顯著地比液化氣更冷。
[0019] 當工作流體流進第二熱交換器中時，工作流體是液體或主要是液體。在第二熱交 換器中普遍的壓力下的工作流體的沸點低于液化氣存儲罐中的液化氣的溫度，并且從液化 氣到第二熱交換器中的工作流體的熱流促使工作流體沸騰。由工作流體消耗的蒸發(fā)熱使得 第二熱交換器在冷卻液化氣存儲罐中的液化氣方面非常有效。使第二熱交換器中的工作流 體沸騰的該原理可以應用于本發(fā)明的所有實施例。
[0020] 在一個實施例中，液化氣存儲罐具有與在內(nèi)燃機的連續(xù)全載荷下消耗的最多三天 的燃氣對應的液化氣體積的容量。在本實施例中，液化氣存儲罐是在內(nèi)燃機附近保持最小 量燃氣的所謂日用罐。諸如，當液態(tài)燃氣的液位低于罐中的預定液位時，日用罐以時間間隔 補充燃氣。日用罐通常地被保持在環(huán)境壓力下或在幾巴的輕微超壓下。在一些實施例中，日 用罐可以具有與小于24小時的燃氣消耗對應的容量。
[0021] 在一個實施例中，燃氣供應系統(tǒng)包括至少兩個液化氣存儲罐。液化氣存儲罐中的 一個可以是日用罐，但是還可以的是，液化氣存儲罐中的兩個或多個是較大容量的罐。在實 施例被安裝在液化氣船中的情況下，諸如液化天然氣船或液化石油氣船，液化氣存儲罐可 以是貨物罐或貨物罐的子設(shè)備，諸如定位成最靠近輪機艙的兩個貨物罐。在船舶不將液化 氣作為貨物運載的情況下，適當?shù)目梢允蔷哂卸鄠€液化氣存儲罐，諸如從2個到25個或更多 的液化氣存儲罐。
[0022] 在一個實施例中，熱交換回路包括定位在至少兩個液化氣存儲罐中的至少兩個第 二熱交換器，優(yōu)選地使得至少一個第二熱交換器定位在每個液化氣存儲罐中。
[0023] 在一個實施例中，燃氣供應系統(tǒng)用于在船中用作推進發(fā)動機的內(nèi)燃機。燃氣供應 系統(tǒng)可以可選地用于船中的輔助發(fā)動機，或用于在固定發(fā)電廠中用作原動機的內(nèi)燃機。
[0024] 在一個實施例中，船從包括以下各項的組中選擇，即，貨柜船、散貨船、客船、油船、 油輪、滾裝船和冷藏船。在該組中的船的共同特征是，船運載與液化氣不同的貨物，并且在 這種情況下船已經(jīng)配置有液化氣存儲罐形式的氣體燃料罐。滾裝船是具有坡道的船，允許 貨物被驅(qū)動到船上或到船下。在另一實施例中，船是液化氣船。
[0025] 在一個實施例中，旁通管線從第一熱交換器的下游的燃氣供應管線延伸到液化氣 存儲罐，所述旁通管線設(shè)置有旁通栗和截止閥。當內(nèi)燃機不操作時，旁通管線中的截止閥可 以被打開，并且栗被激活以通過罐出口管線和旁通管線循環(huán)寒冷的液化氣，使得在啟動內(nèi) 燃機之前系統(tǒng)被冷卻，或在發(fā)動機臨時停止的同時保持在寒冷狀態(tài)。
【附圖說明】
[0026] 在下文參照高度示意性的附圖進一步詳述本發(fā)明的實施例的示例，其中：
[0027] 圖1圖示了用于推進液化天然氣船的內(nèi)燃機的現(xiàn)有技術(shù)的燃氣供應系統(tǒng)，
[0028] 圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的具有燃氣供應系統(tǒng)的液化天然氣船，
[0029]圖3圖示了圖2的液化天然氣船中的內(nèi)燃機的端部輪廓，
[0030]圖4圖示了圖3中的內(nèi)燃機的燃氣系統(tǒng)，
[0031]圖5更詳細地圖示了圖3中的針對發(fā)動機上的單個缸觀察到的燃氣系統(tǒng)，
[0032]圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明的燃氣供應系統(tǒng)的第一實施例的圖解視圖，
[0033]圖7圖示了燃氣供應系統(tǒng)的第二實施例的圖解視圖，
[0034]圖8圖示了燃氣供應系統(tǒng)的第三實施例的圖解視圖，和 [0035]圖9圖示了燃氣供應系統(tǒng)的第四實施例的圖解視圖。
【具體實施方式】
[0036] 圖2中的液化天然氣船具有在輪機艙1中用作主推進發(fā)動機的內(nèi)燃機，輪機艙1定 位在上部構(gòu)造2下方。發(fā)動機驅(qū)動推進器3以用于推進船舶。液化天然氣船具有多個，在圖示 的實施例中為四個，液化天然氣存儲罐，所述多個液化天然氣存儲罐中的至少一個和優(yōu)選 地多個是用于根據(jù)本發(fā)明的燃氣供應系統(tǒng)中的液化氣存儲罐4。雖然液化天然氣船的目的 是將液化天然氣從生產(chǎn)地點輸送到用于液化天然氣的利用地點，但是液化天然氣存儲罐還 用作在輸送過程中用于內(nèi)燃機的燃料存儲器。
[0037] 船舶不必是液化天然氣船，但是還可以是任意另一類型的船舶，其中至少一個液 化氣存儲罐4僅用作燃料存儲器，獨立于船舶的貨物。該其它類型的船舶的示例是滾裝船、 貨柜船、油輪、汽車船和散貨船。
[0038] 在圖3中，更詳細地示出內(nèi)燃機。內(nèi)燃機是活塞發(fā)動機，并且優(yōu)選地是大致由5表示 的二沖程十字頭內(nèi)燃機。發(fā)動機可以具有從4個到15個的缸。發(fā)動機可以例如是MAN柴油機& 禍輪制造和ME-G1或MC類型，或WGrtsiUi制造或Mitsubishi制造。缸可以具有在例如25厘 米到120厘米的范圍內(nèi)的孔，優(yōu)選地從40厘米到110厘米的范圍內(nèi)的孔。用作主推進發(fā)動機 的二沖程十字頭內(nèi)燃機通常地具有以rpm為單位的在從55rpm到195rpm的范圍內(nèi)的速度。這 些發(fā)動機被稱為低速發(fā)動機。需要低速用于經(jīng)由推進器將推進力傳送到尾隨船舶的水。為 將推力傳送到水，推進器需要較大的區(qū)域，并且因而需要較大直徑。由于推進器處的氣穴現(xiàn) 象是不期望的，必然將推進發(fā)動機的速度限制到低速范圍，諸如從60rpm到200rpm的低速范 圍。
[0039] 內(nèi)燃機5具有多個缸，每個缸都在缸中具有往復活塞。在二沖程十字頭內(nèi)燃機中， 缸通常地是單向流掃氣類型，其中排氣閥6位于缸的頂部處并且掃氣端口（未示出）位于缸 的下端處。來自缸的廢氣被傳遞到廢氣接收器7,并且向前到渦輪增壓器8的渦輪機部分，渦 輪增壓器8的壓縮機部分向進氣腔9提供壓縮的進氣。進氣可以從該腔穿過進氣冷卻器10以 到圍繞缸中的掃氣端口的區(qū)域。
[0040]發(fā)動機具有用于引燃燃油和氣態(tài)燃氣的直接噴射的噴射系統(tǒng)，并且出于安全原 因，用于噴射燃氣的系統(tǒng)設(shè)置有進氣系統(tǒng)和惰性氣體系統(tǒng)。進氣系統(tǒng)被設(shè)置在圍繞氣體燃 料管道16的管道15中，并且兩個管道之間的環(huán)形空間允許用于監(jiān)測來自內(nèi)管道的氣體泄 露。吸氣發(fā)生在11處，并且如果噴射系統(tǒng)被正常地操作，則出氣發(fā)生在12處。一對烴探測器 13在通向出氣口 12的導管中被放置在發(fā)動機的下游。加壓惰性氣體源14連接到燃氣管道 16,并且在發(fā)動機關(guān)機時，惰性氣體被提供到燃氣管道以用于吹洗用于氣體的燃氣管道。 [0041 ]第一燃料存儲器17向在內(nèi)燃機的每個缸19上的燃料噴射器18提供引燃燃料。引燃 燃料在例如300巴或400巴的壓力下被提供，并且用于開始缸中的每個燃料噴射順序。引燃 燃料可以是燃油，并且能夠在燃燒沖程結(jié)束時可在燃燒室中獲得的壓縮壓力下在燃燒室中 自燃。當需要的引燃油壓力被檢測到時，在每個缸19上的氣體噴射器20被提供來自控制油 栗21的控制油，并且控制油壓力在氣體噴射器20處被需要以噴射氣體。如果引燃油無法噴 射，則控制油確保氣體不噴射進入缸中。氣體噴射器20還經(jīng)由密封油管線22被提供加壓密 封油。與通過氣體噴射嘴將氣體傳輸進入燃燒室中不同，密封油防止氣體離開氣體噴射器。
[0042] 來自液化氣存儲罐4的燃氣經(jīng)由燃氣供應系統(tǒng)中的燃氣供應管線25被提供到燃氣 管道16,并且流動到蓄積器23,并且當燃氣噴射發(fā)生時，控制閥24打開以用于到噴射器20的 燃氣。在燃氣管道16和噴射器20之間可以具有共軌管道，并且如此可以省略蓄積器23。
[0043] 用于內(nèi)燃機的燃氣供應系統(tǒng)被在圖6到8中更詳細地示出。燃氣供應管線25從液化 氣存儲罐4中延伸到內(nèi)燃機5,并且具有由罐出口管線26形成的初始部分。罐出口管線26延 伸到罐中，并且到罐的內(nèi)底部附近的區(qū)域，并且具有允許液化氣流入的端開口。在液化氣存 儲罐4中的罐出口管線26上沒有栗。作為在上方向下延伸進入罐中的供選方案，罐出口管線 可以從在其中的底部開口延伸到罐下方，或如果液化氣存儲罐的形狀形成為具有水平中心 軸線和端底部的圓柱形罐，則罐出口管線可以從端底部的下部延伸。
[0044]罐出口管線連接到第三熱交換器27,其中燃氣供應管線中的燃氣被大致表示為28 的熱交換回路中的工作流體冷卻。罐出口管線設(shè)置有截止閥（未示出）并且可能地還在液化 氣存儲罐4外側(cè)設(shè)置有單向閥，使得罐可以選擇地被斷開或連接。在第三熱交換器27的下游 側(cè)，燃氣供應管線繼續(xù)到燃氣栗29的入口，所述燃氣栗是將燃氣壓力增加到至少在內(nèi)燃機5 的燃料氣體入口處需要的壓力的高壓栗，即，在從200巴到700巴的范圍內(nèi)的壓力，通常地約 300巴到400巴。因為在壓縮沖程結(jié)束時，內(nèi)燃機執(zhí)行氣體進入燃燒室中的直接噴射，其中燃 燒室中的壓力可以例如是180巴，并且注入壓力需要是非常高以將氣體精細地分配到燃燒 區(qū)域，所以高壓被需要。
[0045] 燃氣栗可以具有數(shù)個級或可以具有兩個或多個串聯(lián)或并聯(lián)連接的燃氣栗。燃氣栗 是低溫栗，并且示例是來自美國加利福尼亞州的Cryogenic實業(yè)公司的TC-34型低溫栗，和 如在2011年7月的《烴加工》中第37-41頁中公開的高壓離心液化天然氣栗。燃氣栗優(yōu)選地是 具有在兩個方向上作用的液壓致動器的活塞排量栗。至少一個燃氣栗還可以是一個活塞栗 和一個離心栗的組合。
[0046] 來自燃氣栗的出口的燃氣供應管線25連接到第一熱交換器30，其中燃氣供應管線 中的燃氣被熱交換回路28中的工作流體加熱。燃氣供應管線25從第一熱交換器30的出口延 伸到最終熱交換器31，其中燃氣被加熱到高于環(huán)境的溫度，優(yōu)選地約45°C的溫度，以適合于 燃氣到內(nèi)燃機的傳輸。最終熱交換器被提供來自可用源32的加熱流體，可用源從熱交換回 路28分離。
[0047]燃氣供應管線25從最終熱交換器31的出口連接到內(nèi)燃機處的氣體燃料管道16,燃 氣在燃氣供應壓力下被傳送到所述內(nèi)燃機。在從燃氣栗29延伸到氣體燃料管道16的燃氣供 應管線25的部分中，燃氣在超臨界狀態(tài)中。
[0048]熱交換回路28是具有循環(huán)管線33的閉合回路，工作流體在循環(huán)管線33中流動。用 于工作流體的存儲器34經(jīng)由循環(huán)管線33連接到壓縮機35的入口。壓縮機可以是一級壓縮機 或具有數(shù)個級的壓縮機。在壓縮機35的出口處，工作流體在超臨界級中，諸如在100巴的壓 力下，并且壓縮機的出口連接到第一熱交換器30上的入口，優(yōu)選地使得工作流體與燃氣進 行對流流動，在經(jīng)過第一熱交換器的過程中，工作流體將熱傳輸?shù)饺細狻?br>[0049]循環(huán)管線33從第一熱交換器的出口延伸到膨脹裝置36,其中工作流體中的壓力減 少到低壓，諸如1巴到12巴的范圍中的壓力，使得工作流體在比燃氣栗29上游在燃氣供應管 線25中的燃氣的沸點更低的溫度處，諸如在至少在該沸點10°C以下的溫度處，并且優(yōu)選地 至少在該沸點以下20°C的溫度處。在一個實施例中，壓力膨脹裝置可以包括孔噴嘴，所述孔 噴嘴定位在密閉腔中并且與來自第一熱交換器的循環(huán)管線33連接，使得工作流體膨脹進入 腔中，因而降低工作流體的壓力和溫度。
[0050]循環(huán)管線33從膨脹裝置36的出口連接到第三熱交換器27，其中燃氣供應管線中的 燃氣被熱交換回路28中的工作流體冷卻。因為當從膨脹裝置流出時，工作流體在循環(huán)管線 中位于其最低溫度處，所以該冷卻是非常有效的。燃氣因而可以被冷卻到其沸點以下許多 攝氏度，并且在僅在至少一個燃氣栗29上游沒有任何氣相存在的情況下，這為液態(tài)燃氣中 的較低壓力留下空間。
[00511循環(huán)管線33從第三熱交換器27的出口延伸進入液化氣存儲罐4中，到第二熱交換 器37,第二熱交換器37可以成浸沒在罐中的液化氣內(nèi)的管道部分的形式，諸如螺旋形管道 部分。在液化氣存儲罐4內(nèi)側(cè)延伸的循環(huán)管線和第二熱交換器在以下實施例中，所述實施例 由設(shè)置成一定形狀并且可以設(shè)置有用于增強傳熱的外散熱片的單個長度的管道形成，并且 如果需要以優(yōu)化操作的可靠性，則罐內(nèi)側(cè)的分離元件之間的移動部件或連接件可以被避 免。在另一實施例中，第二熱交換器是板形結(jié)構(gòu)，所述板形結(jié)構(gòu)具有用于工作流體的內(nèi)流動 路徑、和與定位在液化氣存儲罐4中的循環(huán)管線33固定連接的進入口以及排出口。點和虛線 表示罐中的液化氣的上表面38。自然地，隨著燃氣被消耗，上表面的液位向下移動。循環(huán)管 線33從第二熱交換器37延伸到存儲器34上的入口。
[0052] 工作流體可以是氮，氮可以在船上已經(jīng)用于其它目的，其中氮用作惰性氣體。工作 流體可以可選地是氬或氦。這些工作流體的典型性能連同甲烷的類似性能被示出在表格1 中，甲烷通常地用作燃氣。由于其較低的蒸發(fā)熱，所以氦不是優(yōu)選的。
[0053] 表格 1
[0054]
[0055] 旁通管線39連接到第一熱交換器30下游的燃氣供應管線25,并且經(jīng)由旁通栗40和 截止閥（未示出）延伸到液化氣存儲罐4。栗29可以設(shè)置有具有旁通導管的吸入腔，當旁通管 線39被打開和關(guān)閉時，旁通導管被打開和關(guān)閉，使得當旁通管線39打開以用于旁通時，栗29 允許旁通流。栗29可以可選地是允許在停止時通過抽吸構(gòu)件的旁通的類型。當內(nèi)燃機停止 時，截止閥可以被打開并且旁通栗40被激活，使得液化氣被循環(huán)通過燃氣供應管線25的大 部分，以冷卻系統(tǒng)并且保持系統(tǒng)準備用于當內(nèi)燃機被開啟時的操作。
[0056] 在下文參照圖6的實施例規(guī)定了本發(fā)明的操作的示例。當內(nèi)燃機具有約27MW的功 率時，燃氣供應管線25中的氣流速度被認為對應于液化天然氣消耗的lkg/s。內(nèi)燃機與在從 約2MW到約90MW的功率中的船推進范圍相關(guān)，與發(fā)動機的類型、發(fā)動機的孔和發(fā)動機中的缸 的數(shù)量無關(guān)，并且燃氣消耗速度與功率成比例。氮N 2用作工作流體，并且在該示例中，循環(huán) 管線33中的工作流體的流量是1.7kg/s。
[0057] 在液化氣存儲罐4中的位置ag處的液化氣具有約1巴的壓力和約_161°C的溫度，并 且大約相同的溫度和壓力僅在第三熱交換器27的上游的位置bg處與罐出口管線26中的燃 氣相關(guān)。在該熱交換器的下游的燃氣供應管線25中的位置eg處，燃氣具有約0.7巴到1巴的 范圍中的壓力和約-176Γ的溫度。在至少一個燃氣栗29中加壓之后，在位置dg處燃氣具有 約300巴的壓力和約-172Γ的溫度，并且相同的壓力和溫度被發(fā)現(xiàn)在例如就在第一熱交換 器30的上游的位置處\在該熱交換器的下游，在位置fg處，燃氣具有約300巴的壓力和約-12 °C的溫度，并且在最終熱交換器31的下游，在位置gg處，燃氣具有約300巴的壓力和約45°C 的溫度。
[0058]在存儲器34中在位置i處的工作流體具有約5巴的壓力和約_161°C的溫度，并且就 在壓縮機35的上游的位置h處，大約相同的溫度和壓力是相關(guān)的。在壓縮機35下游，在位置f 處，工作流體具有約100巴的壓力和約28°C的溫度。在第一熱交換器30的下游，在位置e和d 處，工作流體具有約100巴的壓力和約-152Γ的溫度。在膨脹裝置36的下游，在位置c處，工 作流體具有約5巴的壓力和約_178°C的溫度，并且工作流體的部分位于氣相中。在第三熱交 換器中，部分液相蒸發(fā)，并且在第三熱交換器30的下游，在位置b處，工作流體具有約5巴的 壓力和約-178°C的溫度。在第二熱交換器37中，工作流體沸騰，并且在其下游并且在存儲器 34中的位置i處，工作流體具有約5巴的壓力和約-161°C的溫度。
[0059]在這些流動條件下，壓縮機35要求310kW的功率，并且542kW從工作流體傳送到第 一熱交換器30中的燃氣;66kW從燃氣傳送到第三熱交換器30中的工作流體;并且165kW從燃 氣傳送到第二熱交換器33中的工作流體。
[0060] 在第一熱交換器30中，工作流體在28°C的溫度下進入并且在-152°c下離開，然而 在燃氣在_171°C的溫度下以對流進入并且在-12°C下離開，并且兩個流體之間的溫差因而 在熱交換器的一端處是40°C并且在另一端處是19°C，并且在熱交換器中溫差更小，然而工 作流體具有與熱交換器中的所有位置處的燃氣相比更高的溫度。
[0061] 在對其它實施例的以下描述中，與上述實施例相同的附圖標記用于相同作用的說 明，并且僅提到相對于第一實施例的差異。
[0062]在圖7的第二實施例中，膨脹裝置20是渦輪機，其中工作流體膨脹，同時渦輪機接 收到其軸的功率。渦輪機的軸可以經(jīng)由變速箱聯(lián)接到燃氣栗的軸，以節(jié)省能量。
[0063]在圖8的第三實施例中，燃氣供應管線25被安裝在其中的液化氣存儲罐4是比較小 體積的日用罐，使得液化氣存儲罐4包括用于內(nèi)燃機5的數(shù)小時操作但是小于數(shù)天操作的許 多燃氣。因為該日用罐的較小尺寸，所以該日用罐便于安裝在輪機艙附近。較大體積的至少 一個額外的液化氣存儲罐4也被安裝，并且第二熱交換器37也被安裝在該罐中，并且循環(huán)管 線33設(shè)置有分隔回路，所述分隔回路將這個第二熱交換器37與在用作日用罐的液化氣存儲 罐4中的第二熱交換器37并聯(lián)連接，并且控制閥41用于控制工作流體到單獨的第二熱交換 器37的流動。具有輔助栗43的燃氣進送管線42從較大罐的內(nèi)底部附近延伸到日用罐，并且 日用罐可以具有傳感器或液位控制裝置，當日用罐中的液位在預設(shè)值以下時，所述傳感器 或液位控制裝置激活輔助栗，使得日用罐的適當量的液態(tài)燃氣被維持在日用罐中。
[0064]在單獨的罐中的第二熱交換器37將罐中的氣體容納物保持在與氣體的沸騰溫度 相比較低的溫度下。罐中的壓力等級因而可以被保持在約1巴的環(huán)境壓力下，并且氣體的蒸 發(fā)被避免。燃氣供應系統(tǒng)因而不使用蒸發(fā)氣體，并且沒有用于蒸發(fā)氣體再液化的設(shè)備。液化 氣存儲罐4中的液化氣容納物可以被冷卻到較低的溫度，諸如上述溫度，但是接近氣體的融 點，并且因而允許在液化氣的溫度緩慢上升的同時，內(nèi)燃機5停止的一段時間。隨著到罐的 熱流緩慢出現(xiàn)，可以使發(fā)動機停止達到數(shù)天，而未在罐中出現(xiàn)任何沸騰。
[0065]在圖9的第四實施例中，在大致由50表示的液化氣流管線處，第二熱交換器37定位 在液化氣存儲罐4外側(cè)。液化氣流管線傳輸通過第二熱交換器37。經(jīng)由在其內(nèi)底部附近向下 延伸進入液化氣存儲罐4中的抽吸管線44，液化氣流管線與液化氣存儲罐中的液化氣連通， 并且在循環(huán)栗46已經(jīng)促使液化氣流過第二熱交換器37之后，輸送管線45將液化氣返回到 罐。液化氣流管線50還可以是用于將液化氣從一個罐傳送到另一罐的管線，并且可以具體 化為具有輔助栗43的燃氣進送管線42。
[0066] 在其它的實施例中，可以將罐出口管線直接地連接到至少一個燃氣栗29上的入 口，并且將出口從膨脹裝置36直接地連接到第二熱交換器，并且因而省略了第三熱交換器。
[0067] 單獨的液化氣存儲罐4可以設(shè)置有將惰性氣體源與罐的上部連接的惰性氣體管 線，并且惰性氣體管線可以設(shè)置有在液化氣存儲罐4中保持環(huán)境壓力（約1大氣壓力或1巴） 的調(diào)節(jié)閥?？蛇x地，惰性氣體管線可以連接到具有彈性壁的惰性氣體源，彈性壁的外側(cè)朝環(huán) 境開放，使得在所有的操作條件過程中，并且因而也在液化氣適當?shù)乩鋮s到其沸點下方時， 環(huán)境壓力存在于惰性氣體源中并且因而也存在于液化氣存儲罐4中。
[0068] 在上述的多個實施例中，在該系統(tǒng)中通常都具有截止閥和控制閥，并且特別地燃 氣供應管線26中的截止閥，并且當截止閥在打開位置處時，該截止閥可以將至少一個燃氣 栗連接到液化氣存儲罐中的液化氣。
[0069]燃氣供應管線26可以用與燃氣供應管線26的外直徑相比更大直徑的外管道的形 式的防護部制成，并且管道之間的環(huán)形空間可以是通風的并且在空氣流通的出口處設(shè)置有 氣體泄露探測器。外管道還用于保護人員免于與具有非常低的溫度的表面接觸。
[0070]在專利權(quán)利要求的范圍中，描述的多個實施例的細節(jié)可以組合到其他實施例中。
【主權(quán)項】
1. 一種用于內(nèi)燃機(5)的燃氣供應系統(tǒng)，所述燃氣供應系統(tǒng)包括： 液化氣存儲罐(4)， 燃氣供應管線(25)，和 具有工作流體的熱交換回路， 所述燃氣供應管線包括： 用于液化氣的罐出口管線(26)， 用于將燃氣加壓到用于內(nèi)燃機的燃氣供應壓力的至少一個燃氣栗(29)，和 定位在所述至少一個燃氣栗下游的最終熱交換器（31)，并且所述熱交換回路至少包 括： 壓縮機(35)，和 壓縮機下游的第一熱交換器(30)和膨脹裝置(36)，以及 定位在膨脹裝置下游的第二熱交換器， 其特征在于： 所述至少一個燃氣栗(29)定位在液化氣存儲罐(4)外側(cè)并且能夠經(jīng)由用于液化氣的罐 出口管線(26)連接至在液化氣存儲罐中的液化氣，并且 熱交換回路中的第一熱交換器(30)與在燃氣栗(29)和最終熱交換器(31)之間的燃氣 供應管線(25)連接，并且 熱交換回路中的第二熱交換器（37)定位在液化氣存儲罐(4)中或在與液化氣存儲罐 (4)中的液化氣連通的液化氣流管線(50)處。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣供應系統(tǒng)，其中： 燃氣栗(29)的燃氣壓力在200巴到700巴的范圍中。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣供應系統(tǒng)，其中： 燃氣栗(29)的燃氣壓力在從250巴到450巴的范圍中。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣供應系統(tǒng)，其中： 壓縮機（35)的尺寸形成為將工作流體壓縮到最大壓力，該最大壓力的范圍為40巴到 120 巴。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃氣供應系統(tǒng)，其中： 膨脹裝置(36)適于提供在1巴到12巴的范圍中的下游壓力。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣供應系統(tǒng)，其中： 膨脹裝置(36)適于提供在1巴到12巴的范圍中的下游壓力。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣供應系統(tǒng)，其中： 液化氣存儲罐(4)具有與最多三天的燃氣消耗對應的液化氣體積的容量。8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項所述的燃氣供應系統(tǒng)，其中： 第三熱交換器(27)定位在熱交換回路中的膨脹裝置(36)下游和燃氣供應管線中的所 述至少一個燃氣栗(29)的上游。9. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項所述的燃氣供應系統(tǒng)，其中： 燃氣供應系統(tǒng)包括至少兩個液化氣存儲罐(4)。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃氣供應系統(tǒng)，其中： 熱交換回路（28)包括定位在至少兩個液化氣存儲罐(4)中的至少兩個第二熱交換器 (37)，使得至少一個第二熱交換器定位在每個液化氣存儲罐中。11. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項所述的燃氣供應系統(tǒng)，其中： 燃氣供應系統(tǒng)用于在船中用作推進發(fā)動機的內(nèi)燃機(5)。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃氣供應系統(tǒng)，其中： 船從包括貨柜船、散貨船、客船、油船、油輪、滾裝船和冷藏船的組中選擇。13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃氣供應系統(tǒng)，其中： 旁通管線（39)從第一熱交換器(30)的下游的燃氣供應管線（25)延伸到液化氣存儲罐 (4)，所述旁通管線設(shè)置有旁通栗(40)和截止閥。14. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項所述的燃氣供應系統(tǒng)，其中： 液化氣存儲罐(4)與環(huán)境壓力下的惰性氣體源連接。
【文檔編號】F02M21/06GK105863888SQ201610073324
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年2月2日
【發(fā)明人】尼爾斯·謝姆特魯普
【申請人】曼恩柴油機渦輪股份公司曼恩柴油機渦輪德國分公司