СИСТЕМА И СПОСОБ ПОДАЧИ ТОПЛИВА К СУДОВОМУ ДВИГАТЕЛЮ
SYSTEM AND METHOD FOR SUPPLYING FUEL TO SHIP ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[1] Настоящее изобретение относится к системе и способу подачи топлива для судового двигателя и, более конкретно, к системе и способу подачи топлива для судового двигателя, в котором СПГ поставляется из резервуара для хранения СПГ судна к насосу высокого давления посредством погружного насоса, а затем накачивается до высокого давления посредством насоса высокого давления, с последующей повторной газификацией СПГ, накачанного насосом высокого давления, и подачей повторно газифицированного СПГ к судовому двигателю, при этом СПГ выше по потоку от насоса высокого давления возвращается в резервуар для хранения СПГ для обеспечения минимальной величины расхода погружного насоса, а величина расхода СПГ, подлежащего возврату, регулируется для регулирования температуры СПГ перед насосом высокого давления, тем самым предотвращая протекание испаряющегося газа в насос высокого давления.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[2] В последнее время потребление сжиженного газа, такого как сжиженный природный газ (СПГ) и сжиженного нефтяного газа (СНГ) стремительно растет во всем мире.
[3] В частности, сжиженный природный газ (далее "СПГ") является экологически чистым топливом с малым уровнем выброса загрязняющих веществ в атмосферу при горении и все чаще используется в различных областях.
[4] СПГ представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, которая может быть получена путем охлаждения природного газа, содержащего метан в качестве основного компонента, до примерно -162°С и имеет объем около 1/600 от природного газа. Таким образом, сжижение природного газа в СПГ обеспечивает очень эффективную транспортировку природного газа. Например, танкеры для перевозки СПГ используются для транспортировки (перевозки) СПГ по морю.
[5] Поскольку стандарты международного и внутреннего регулирования для судов становятся все более строгими, растет интерес к экологически чистым высокоэффективным топливам для судов. В частности, был разработан и введен в эксплуатацию двух топливный дизель-электрический двигатель (DFDE), который может питаться газом, образующимся при естественном или вынужденном испарении СПГ.
[6] Такое судно, работающее на СПГ, упоминается как судно, работающее на сжиженном природном газе (LFS). С ужесточением международных норм выбросов для судов и стабилизации цен на СПГ ожидается увеличение потребления СПГ в качестве судового топлива.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
[7] Одним аспектом настоящего изобретения является обеспечение системы подачи СПГ к судовому двигателю в качестве топлива, которая может предотвратить отказ системы, тем самым обеспечивая плавную подачу топлива.
ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ
[8] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения система подачи топлива для судового двигателя включает в себя: погружной насос, расположенный в резервуаре для хранения СПГ судна, и подающий СПГ к судовому двигателю;
[9] насос высокого давления, принимающий СПГ от погружного насоса и накачивающий СПГ до высокого давления; а также
[10] обратный канал для возврата СПГ выше по потоку от насоса высокого давления в резервуар для хранения СПГ для обеспечения минимальной величины расхода погружного насоса, причем обратный канал ответвлен в местоположении ближе к насосу высокого давления, чем к погружному насосу,
[11] при этом величина расхода СПГ, возвращаемого через обратный канал, является регулируемой для управления температурой СПГ перед насосом высокого давления для предотвращения образования испаряющегося газа (BOG) перед насосом высокого давления.
[12] Предпочтительно, система подачи топлива дополнительно включает в себя: клапан регулирования потока, расположенный в обратном канале; регулятор потока, регулирующий величину расхода СПГ, возвращаемого в резервуар для хранения СПГ, для обеспечения минимальной величины расхода погружного насоса; и регулятор температуры, определяющий температуру СПГ перед насосом высокого давления и регулирующий величину расхода СПГ, возвращаемого в резервуар для хранения СПГ, для поддержания температуры СПГ перед насосом высокого давления ниже температуры сжижения СПГ, при этом клапан регулирования потока регулирует величину расхода СПГ, возвращаемого в резервуар для хранения СПГ, под управлением регулятора потока и регулятора температуры.
[13] Предпочтительно, система подачи топлива дополнительно включает в себя: канал подачи топлива для подачи СПГ из резервуара для хранения СПГ к двигателю; и испаритель, расположенный в канале подачи топлива, повторно газифицирующий накачанный СПГ от насоса высокого давления, и подающий повторно газифицированный СПГ к двигателю.
[14] Предпочтительно, двигатель представляет собой двигатель с впрыском газа под высоким давлением, питаемый газом высокого давления, сжатым до высокого давления от 150 бар до 400 бар.
[15] Предпочтительно, резервуар для хранения СПГ представляет собой резервуар, устойчивый к давлению, и имеет расчетное давление, установленное для сохранения испаряющегося газа (BOG) или мгновенно выделяющегося газа, генерируемого в резервуаре, устойчивом к давлению, во время работы судна.
[16] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, способ подачи топлива для судового двигателя включает в себя этапы, при которых: поставляют СПГ из резервуара для хранения СПГ судна к насосу высокого давления посредством погружного насоса; повышают давление СПГ до высокого давления посредством насоса высокого давления; повторно газифицируют СПГ, накачанный насосом высокого давления; и подают повторно газифицированный СПГ к судовому двигателю, при этом СПГ выше по потоку от насоса высокого давления возвращают в резервуар для хранения СПГ для обеспечения минимальной величины расхода погружного насоса, а величину расхода СПГ, подлежащего возврату, регулируют для управления температурой СПГ перед насосом высокого давления ниже температуры сжижения СПГ для предотвращения образования испаряющегося газа (BOG) перед насосом высокого давления, причем обратный канал ответвлен в местоположении ближе к насосу высокого давления, чем к погружному насосу.
[17] Предпочтительно, величина расхода СПГ, возвращаемого в резервуар для хранения СПГ, регулируется для поддержания температуры СПГ выше по потоку от насоса высокого давления ниже температуры сжижения СПГ.
[18] Предпочтительно, двигатель представляет собой двигатель с впрыском газа под высоким давлением, питаемый газом высокого давления, сжатым до высокого давления от 150 бар до 400 бар.
ПОЛЕЗНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
[19] Настоящее изобретение обеспечивает систему подачи топлива для судового двигателя, в котором СПГ доставляется из резервуара для хранения СПГ судна к насосу высокого давления погружным насосом, а затем накачивается до высокого давления насосом высокого давления, с последующей повторной газификацией СПГ, накачанного насосом высокого давления, и подачей повторно газифицированного СПГ к судовому двигателю, при этом СПГ выше по потоку от насоса высокого давления возвращается в резервуар для хранения СПГ для обеспечения минимальной величины расхода погружного насоса, а величина расхода СПГ, подлежащего возврату, регулируется для регулирования температуры СПГ перед насосом высокого давления. Поскольку СПГ перед насосом высокого давления может оставаться переохлажденным посредством регулирования величины расхода СПГ, возвращаемого в резервуар для хранения СПГ, можно предотвратить протекание испаряющегося газа в насос высокого давления, тем самым предотвращая отказ системы и обеспечивая плавную подачу топлива.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[20] Фиг.1 представляет собой схему примера системы подачи СПГ к судовому двигателю.
[21] Фиг.2 представляет собой схему системы подачи топлива для судового двигателя согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[22] Фиг.3 представляет собой схему модификации системы подачи топлива для судового двигателя, по фиг.2.
НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[23] Вышеприведенные и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из подробного описания следующих вариантов осуществления в сочетании с прилагаемыми чертежами.
[24] В дальнейшем, примеры вариантов осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи. Следует отметить, что подобные компоненты будут обозначены одинаковыми ссылочными позициями в описании и на прилагаемых чертежах.
[25] Фиг.1 представляет собой схему примера системы подачи СПГ к судовому двигателю. В этой системе, СПГ, хранящийся в резервуаре-хранилище Т, нагнетается в насос 20 высокого давления, предусмотренный в подающем канале L1 посредством подающего насоса 10. Затем СПГ, накачанный насосом 20 высокого давления, повторно газифицируется испарителем 30 и подается к судовому двигателю Е в качестве топлива. Здесь, для обеспечения минимальной величины расхода подающего насоса 10, который является погружным насосом, система снабжена обратным каналом L2 для возврата СПГ в резервуар-хранилище T. Количество СПГ, возвращаемого в резервуар через обратный канал L2, может регулироваться посредством регулировочного клапана 40, расположенного в обратном канале L2, через регулятор 50 потока на основе величины тока, потребляемого подающим насосом 10.
[26] Фиг.2 представляет собой принципиальную схему системы подачи топлива для судового двигателя согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, который является улучшением вышеупомянутой системы подачи топлива.
[27] Ссылаясь к фиг.2, система подачи топлива согласно этому варианту осуществления включает в себя погружной насос 100, расположенный в резервуаре T для хранения СПГ судна, и подающий СПГ к двигателю E судна, насос 200 высокого давления, принимающий СПГ от погружного насоса 100, и повышающий давление СПГ до высокого давления, и обратный канал RL, для возврата СПГ выше по потоку от насоса 200 высокого давления в резервуар T для хранения СПГ для обеспечения минимальной величины расхода погружного насоса 100, при этом температура СПГ перед насосом 200 высокого давления регулируется путем регулирования величины расхода СПГ, возвращаемого через обратный канал RL.
[28] Даже когда величина расхода погружного насоса 100 соответствует минимальной требуемой величине расхода, СПГ перед насосом 200 высокого давления может испаряться, тем самым генерируя испаряющийся газ, когда имеется большое количество тепла, поступающего извне. Если испаряющийся газ поступает в насос 200 высокого давления, это может привести к отказу насоса и, в конечном счете, к прерыванию подачи топлива к двигателю E. Чтобы предотвратить такую проблему, в этом варианте осуществления температура СПГ перед насосом 200 высокого давления регулируется посредством регулирования величины расхода СПГ, возвращаемого в резервуар для хранения СПГ.
[29] Обратный канал RL ответвляется выше по потоку от насоса 200 высокого давления как можно ближе к насосу 200 высокого давления, в результате чего величина расхода СПГ перед насосом 200 высокого давления может быть как можно выше, и повышение температуры из-за тепла, поступающего извне, может быть уменьшено, что предотвращает образование испаряющегося газа.
[30] Обратный канал RL снабжен клапаном 300 регулирования потока для регулирования величины расхода СПГ, возвращаемого в резервуар-хранилище. Клапан 300 регулирования потока регулирует величину расхода СПГ, возвращаемого в резервуар T для хранения СПГ, под управлением регулятора 310 потока и регулятора 320 температуры.
[31] Регулятор 310 потока регулирует величину расхода СПГ, возвращаемого в резервуар T для хранения СПГ, для обеспечения минимальной величины расхода погружного насоса 100. Регулятор 310 потока может определять величину расхода СПГ, необходимую для обеспечения минимальной величины расхода погружного насоса, в зависимости от величины тока, потребляемого погруженным насосом 100.
[32] Регулятор 320 температуры определяет температуру СПГ перед насосом 200 высокого давления и определяет величину расхода СПГ, возвращаемого в резервуар T для хранения СПГ, необходимую для снижения температуры СПГ перед насосом 200 высокого давления ниже температуры сжижения СПГ, то есть для того, чтобы позволить СПГ перед насосом 200 высокого давления оставаться переохлажденным.
[33] Когда СПГ, возвращенный в резервуар Т для хранения СПГ, и количество СПГ, подаваемого погруженным насосом 100, увеличивается, повышение температуры из-за подачи тепла извне относительно подавляется, так что СПГ перед насосом высокого давления 200 может быть предотвращен от испарения.
3
[34] Клапан 300 регулирования потока определяет более высокое из двух выходных значений, полученных на основе управляющих сигналов от регулятора 310 потока и регулятора 320 температуры как величину расхода СПГ, подлежащего возврату в резервуар T для хранения СПГ, тем самым позволяя СПГ возвращаться в резервуар T для хранения СПГ с определенной величиной расхода. То есть, даже когда величина расхода погружного насоса 100, сигнализируемая регулятором 310 потока, является выше минимальной величины расхода, если температура СПГ перед насосом 200 высокого давления выше, чем заданная точка, величина расхода СПГ, возвращаемого в резервуар Т, увеличивается на основании сигнала регулятора 320 температуры, тем самым позволяя СПГ перед насосом 200 высокого давления оставаться переохлажденным. Например, если минимальная величина расхода погружного насоса 100 составляет 5 м/ч, а температура СПГ перед насосом 200 высокого давления выше, чем заданная точка -155°C, которая является ниже температуры насыщения СПГ, величина расхода СПГ, подлежащего возврату, увеличивается, тем самым позволяя поддерживать температуру СПГ перед насосом 200 высокого давления на низком уровне.
[35] Система подачи топлива согласно настоящему изобретению может дополнительно включать в себя блок управления (не показан), принимающий управляющие сигналы от регулятора 310 потока и регулятора 320 температуры, и управляющий клапаном 300 управления потоком на основе сигналов управления.
[36] В дополнение к насосу 200 высокого давления, испаритель 400, принимающий и повторно газифицирующий СПГ, накачанный насосом 200 высокого давления и подающий повторно газированный СПГ в двигатель Е, расположен в канале SL подачи топлива для подача СПГ из резервуара T для хранения СПГ к двигателю E.
[37] В этом варианте осуществления, двигатель E представляет собой двигатель с впрыском газа под высоким давлением, который питается газом высокого давления, сжатым до высокого давления от 150 бар до 400 бар, и может быть двигателем для движения или выработки электроэнергии судна, например, ME-GI двигателем.
[38] ME-GI двигатель представляет собой двухтактный двигатель с впрыском природного газа под высоким давлением, который был разработан для снижения выбросов оксида азота (NOx) и оксида серы (SOx) и может использовать газы и нефть в качестве топлива и питаться газом, сжатым от 150 бар до 400 бар.
[39] Такой ME-GI двигатель может снизить выбросы загрязняющих веществ на 23% для углекислого газа, на 80% для соединений азота и на 95% для соединений серы по сравнению с дизельным двигателем эквивалентной выходной мощности.
[40] Таким образом, когда двигатель для движения или выработки электроэнергии, использующий СПГ в качестве топлива, предусмотрен на судне, как в данном варианте осуществления, выброс загрязнителей воздуха может быть уменьшен.
[41] Поскольку СПГ, накачанный до давления от 150 бар до 400 бар насосом 200 высокого давления, который должен подаваться в двигатель с впрыском газа под высоким давлением, находится в сверхкритическом состоянии, повторная газификация СПГ испарителем 400 не означает, что СПГ подвергается фазовому изменению, а скорее означает, что тепловая энергия поступает в СПГ.
[42] В этом варианте осуществления, резервуар T для хранения СПГ представляет собой резервуар, устойчивый к давлению. Такой резервуар, устойчивый к давлению, может иметь расчетное давление, установленное для удерживания BOG или мгновенно выделяющегося газа, генерируемого в нем во время работы судна. Расчетное давление резервуара, устойчивого к давлению, устанавливается для манометрического давления 2 бар или выше, предпочтительно от 3 бар до 30 бар. В этом варианте осуществления, резервуар, устойчивый к давлению, может быть независимым резервуаром-хранилищем, предпочтительно резервуаром С-типа по классификации Международной морской организации.
[43] Когда резервуар T для хранения СПГ является резервуаром, устойчивым к давлению, система подачи топлива может дополнительно включать в себя второй двигатель E2, который питается BOG, генерируемым в резервуаре T для хранения СПГ. Фиг.3 представляет собой схему модификации вышеприведенного варианта осуществления, которая дополнительно включает в себя второй двигатель. Второй двигатель E2 представляет собой газовый двигатель низкого давления, который приводится в движение при более низком давлении, чем судовой двигатель, как описано выше, то есть первый двигатель E1. Таким образом, BOG может подаваться под давлением, необходимым для работы второго двигателя, используя только внутреннее давление в резервуаре T для хранения СПГ без использования отдельного компрессора.
[44] Второй двигатель E2 может представлять собой, например, двигатель DF, питаемый топливным газом от 3 бар до 20 бар. Кроме того, система подачи топлива может дополнительно включать в себя линию BL для подачи BOG для подачи BOG из резервуара T для хранения СПГ ко второму двигателю, и нагреватель 500, нагревающий BOG.
[45] Как описано выше, в системе подачи топлива согласно настоящему изобретению, СПГ подается из резервуара для хранения СПГ судна к насосу высокого давления погружным насосом, а затем накачивается до высокого давления насосом высокого давления, с последующей повторной газификацией СПГ, накачанного насосом высокого давления, и подачей повторно газифицированного СПГ к судовому двигателю Е, при этом СПГ выше по потоку от насоса 200 высокого давления возвращается в резервуар T для хранения СПГ для обеспечения минимальной величины расхода погружного насоса 100, а величина расхода СПГ, подлежащего возврату, регулируется для регулировки температуры СПГ перед насосом 200 высокого давления, то есть для обеспечения, чтобы СПГ перед насосом 200 высокого давления оставался переохлажденным ниже температуры сжижения СПГ.
[46] Судовой двигатель Е, питаемый топливом через насос высокого давления, может быть двигателем с впрыском газа под высоким давлением, который питается газом высокого давления, сжатым до высокого давления от 150 бар до 400 бар, например, ME-GI двигателем.
[47] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на некоторые варианты осуществления в сочетании с прилагаемыми чертежами, следует понимать, что различные модификации, изменения, переделки и эквивалентные варианты осуществления могут быть выполнены специалистами в данной области без отхода от сущности и объема изобретения.