Система для смешивания газового топлива двигателя внутреннего сгорания
GAS FUEL MIXING SYSTEM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Этой обычной заявкой на патент заявляется приоритет предварительной заявки на патент США SN 62/359751, поданной 08.07.2016, для всех целей. Описание в этой предварительной заявке на патент включено в этот документ в части, не противоречащей этой заявке.
ПРЕДПОСЫЛКИ И ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Это изобретение относится к устройству и способу обеспечения потока газового топлива для двигателей внутреннего сгорания, имеющего требуемый состав и характеристики, в частности такую характеристику, как требуемая теплотворная способность. Двигатели внутреннего сгорания, или просто «двигатели», рассматриваются в этом документе в наиболее широком смысле, и к ним без ограничения относятся газотурбинные двигатели, поршневые двигатели, роторные двигатели и т.п.
Проблемы возникают, когда осуществляются попытки подачи в двигатели топлива в виде углеводородных газов, которые не обладают требуемым составом, в частности требуемой теплотворной способностью. Несмотря на то что определенный двигатель может быть выполнен с возможностью работы на потоках газового топлива разных составов, в зависимости от конструкции двигателя и состава газового топлива выходная мощность двигателя может заметно снижаться.
Примером служит ситуация, когда двигатель необходимо снабжать топливом в виде природного газа, добытого из нефтяной/газовой скважины, то есть газом непосредственно из скважины, который не подвергался обработке, за исключением первичной сепарации (то есть отделения нефти и/или конденсата, а также добываемой воды, в многофазном потоке, из потока природного газа). Из скважины может добываться достаточное количество природного газа, и поэтому она может быть рентабельным источником топлива для двигателя, однако у добытого природного газа теплотворная способность (ТС, которая представляет собой меру энергии, содержащейся в определенном объеме газа) может быть слишком высокой для конструкции двигателя. Как правило, двигатели оптимизируются для конкретного типа топлива, доступного на рынке, независимо от того, является ли оно дизельным топливом, бензином, метаном или пропаном, и в отношении каждого из этих типов топлива требуется разная степень сжатия и система управления двигателем для обеспечения наиболее эффективной работы. В случае газовых топлив было обнаружено, что в альтернативном потоке газового топлива могут содержаться углеводородные компоненты, отличные от компонентов метана, но у него ТС все же эквивалентно ТС метана. В целом, независимо от состава газового топлива именно ТС больше всего влияет на работу двигателя; другими словами, два потока газа могут иметь значительно отличающиеся друг от друга составы, но при этом практически одинаковые ТС (см. таблицу 1). Любой из двух газов в таблице 1 будет подходящим газовым топливом.
Поставленная задача состоит в том, как изменить поток добываемого природного газа, чтобы получить поток газового топлива с требуемой ТС. Одно решение заключается в обработке потока природного газа с применением способов, известных из уровня техники (в том числе фракционирования, низкотемпературной обработки и т.п.), для получения одного потока, содержащего в основном только метан, и одного или нескольких других потоков газа и/или жидкости, содержащих остальные углеводородные компоненты (которые затем перевозятся и продаются). Этот способ характеризуется наличием проблем, связанных с действиями в отношении компонентов, отличных от метана, требованиями к основному оборудованию для обработки и т.п. Совершенно очевидно, что обработка природного газа с целью получения его составляющих существенно повышает эксплуатационные расходы, поэтому возможность применения потока необработанного, или неочищенного, газа представляет собой большое преимущество.
Следует понимать, что подобные проблемы могут возникать при применении в качестве газового топлива других потоков газа (отличных от потока добываемого газа), например пропана в емкостях, бутана и т.п.
Этот и другие способы, известные из уровня техники, характеризуются разными ограничениями.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В устройстве и связанном с ним способе, в которых реализуются принципы настоящего изобретения, предусматривается система для газового топлива, функционально связанная с двигателем внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания может быть двигателем любого типа, в том числе, но без ограничения двигателем возвратно-поступательного действия (поршневым), газотурбинным двигателем, «роторным» двигателем или двигателем любого другого типа. Кроме того, система может применяться для обеспечения потока газа с требуемой ТС для любого другого устройства, в котором происходит сжигание или сгорание такого потока газа.
Система для газового топлива содержит накопительный резервуар, который принимает потоки газа из по меньшей мере двух, возможно и более, источников. Один источник представляет собой источник основного топлива, или источник газа с высокой ТС, который может быть потоком добытого природного газа. В качестве альтернативы или дополнительно источник газа с высокой ТС, или основного топлива, может обеспечиваться посредством жидкого пропана или другого углеводорода из емкости или резервуара (который затем переводят в газообразное состояние). Еще одной альтернативой является поток газа в виде потока газообразного пропана, полученного в перерабатывающей или подобной установке. Второй источник представляет собой источник газа с низкой ТС, который может быть инертным газом, таким как азот, который может быть получен переводом на месте жидкого азота в газообразное состояние; или в качестве альтернативы могут применяться отработавшие газы, выпускаемые из двигателя, или окружающий воздух. В некоторых случаях газ с низкой ТС может быть источником основного топлива, но обладает ТС, которая слишком низкая согласно требованиям к двигателю (как, например, биогаз), что по существу является проблемой, противоположной описанной выше (то есть когда у источника основного топлива слишком высокая ТС). Тем не менее процесс является по существу идентичным в том, что газ с низкой ТС смешивают с газом с высокой ТС с получением требуемого уровня ТС. Источник газа с высокой ТС и источник газа с низкой ТС смешивают друг с другом (например, смешивая в накопительном резервуаре) в соответствующем соотношении с получением смешанного потока газового топлива с подходящей ТС для определенного двигателя, и смешанное газовое топливо проходит из накопительного резервуара в двигатель.
2
2
2
Предпочтительно датчик кислорода, или O, в потоке отработавшего газа определяет, насколько богатым или бедным является отработавший газ двигателя, и посредством системы регулирования с соответствующими клапанами, регуляторами давления, датчиками, цифровыми процессорами и т.п. регулирует соотношение смешивания газов с высокой ТС и низкой ТС. Является понятным то, что поток отработавшего газа, который слишком богатый (уровень содержания O слишком низкий), заставит систему увеличить в соотношении количество инертного газа или газа с низкой ТС; поток отработавшего газа, который слишком бедный (уровень содержания O слишком высокий) приведет к увеличению в соотношении количества газа с высокой ТС или газового топлива.
Накопительный резервуар содержит систему отслеживания давления, которая сигнализирует об изменении нагрузки двигателя и, следовательно, объема (количества) смешанного газа, который необходимо подать в двигатель. При увеличении нагрузки клапаны регулирования потока на трубопроводах как газа с высокой ТС, так и газа с низкой ТС дополнительно открываются синхронно для поддержания требуемого соотношения потоков. Уменьшающаяся нагрузка обуславливает обратное действие.
Является понятным то, что в системе предусмотрены трубопроводы, средства управления, датчики, цифровые процессоры и т.п., известные из уровня техники.
В соответствии с первым аспектом изобретения предложена система для обеспечения потока газового топлива требуемого состава для двигателя внутреннего сгорания, содержащая:
источник газа с относительно высокой теплотворной способностью;
источник газа с относительно низкой теплотворной способностью;
средство для смешивания потоков газа из источников газов с относительно высокой и низкой теплотворной способностью для формирования смешанного потока газового топлива;
средство для анализа состава смешанного потока газа, содержащее датчик кислорода, который выполнен с возможностью измерения уровня содержания кислорода в потоке отработавшего газа из двигателя; и
средство для независимого регулирования соответствующих расходов газа из источника газа с относительно высокой теплотворной способностью и газа из источника газа с относительно низкой теплотворной способностью, причем указанное средство для регулирования содержит:
клапан регулирования потока газа из источника газа с относительно высокой теплотворной способностью, выполненный с возможностью управления потоком газа из указанного источника газа с относительно высокой теплотворной способностью к средству для смешивания и с возможностью срабатывания на основании данных с датчика кислорода; и
клапан регулирования потока газа из источника газа с относительно низкой теплотворной способностью, выполненный с возможностью управления потоком газа из указанного источника газа с относительно низкой теплотворной способностью к средству для смешивания и с возможностью срабатывания на основании данных с датчика кислорода.
Указанная система может дополнительно содержать средство для подачи смешанного потока газового топлива в двигатель внутреннего сгорания.
Указанный источник газа с относительно высокой теплотворной способностью может содержать поток газа из нефтяной и/или газовой скважины.
Указанный источник газа с относительно высокой теплотворной способностью может содержать газ из источника сжиженного газа в емкостях.
Указанный источник газа с относительно низкой теплотворной способностью может содержать азот.
Указанный источник газа с относительно низкой теплотворной способностью может содержать окружающий воздух.
Указанный источник газа с относительно низкой теплотворной способностью может содержать отработавший газ двигателя.
Указанный источник газа с относительно высокой теплотворной способностью может содержать поток газа из нефтяной и/или газовой скважины; и указанный источник газа с относительно низкой теплотворной способностью может содержать азот.
Указанный источник газа с относительно высокой теплотворной способностью может содержать поток газа из нефтяной и/или газовой скважины; и указанный источник газа с относительно низкой теплотворной способностью может содержать окружающий воздух.
Указанный источник газа с относительно высокой теплотворной способностью может содержать поток газа из нефтяной и/или газовой скважины; и указанный источник газа с относительно низкой теплотворной способностью может содержать отработавший газ двигателя.
Указанный источник газа с относительно высокой теплотворной способностью может содержать газ из источника сжиженного газа в емкостях; и указанный источник газа с относительно низкой теплотворной способностью может содержать азот.
Указанный источник газа с относительно высокой теплотворной способностью может содержать газ из источника сжиженного газа в емкостях; и указанный источник газа с относительно низкой теплотворной способностью может содержать окружающий воздух.
Указанный источник газа с относительно высокой теплотворной способностью может содержать газ из источника сжиженного газа в емкостях; и указанный источник газа с относительно низкой теплотворной способностью содержать газ отработавший газ двигателя.
Указанное средство для регулирования соответствующих расходов газа из источников газов с относительно высокой и относительно низкой теплотворной способностью может содержать программируемый логический контроллер, который принимает входные данные от указанного датчика кислорода и который функционально связан с приводами на указанных клапанах регулирования потока, которые выполнены с возможностью регулирования расхода посредством указанных клапанов регулирования потока в ответ на сигнал от указанного программируемого логического контроллера; и дополнительно может содержать один или более цифровых процессоров, функционально связанных с указанной системой.
Указанный источник газа с относительно высокой теплотворной способностью может представлять собой источник сжиженного газа в емкостях, причем указанная система дополнительно может содержать теплообменник, который поглощает тепло у потока отработавшего газа из указанного двигателя и передает указанное тепло сжиженному газу из указанного источника сжиженного газа в емкостях, причем указанный теплообменник выполнен с возможностью прохождения через него сжиженного газа из источника сжиженного газа в емкостях с переводом, в результате, этого сжиженного газа в газообразное состояние.
Указанный источник газа с относительно высокой теплотворной способностью может представлять собой источник сжиженного газа, причем указанная система дополнительно может содержать теплообменник, который поглощает тепло у потока отработавшего газа из указанного двигателя и передает указанное тепло сжиженному газу из указанного источника сжиженного газа, причем указанный теплообменник выполнен с возможностью прохождения через него сжиженного газа из источника сжиженного газа с переводом, в результате, этого сжиженного газа в газообразное состояние.
В соответствии со вторым аспектом изобретения предложена система для обеспечения потока газового топлива требуемого состава для двигателя внутреннего сгорания, содержащая:
источник газа с относительно высокой теплотворной способностью, содержащий нефтяную и/или газовую скважину;
источник газа с относительно низкой теплотворной способностью;
средство для смешивания потоков газа из источников газов с относительно высокой и низкой теплотворной способностью, содержащее один или более клапанов регулирования потока газа, выполненных с возможностью регулирования, независимо друг от друга, потоков газа из указанных источников газов с относительно высокой и относительно низкой теплотворной способностью, при этом указанные потоки газа из источников газов текут в накопительный резервуар;
средство для анализа состава смешанного потока газа, содержащее датчик кислорода, выполненный с возможностью измерения уровня содержания кислорода в потоке отработавшего газа из двигателя;
средство для регулирования соответствующих расходов газа из источника газа с относительно высокой теплотворной способностью и газа из источника газа с относительно низкой теплотворной способностью, содержащее программируемый логический контроллер, который принимает входные данные от указанного датчика кислорода, выполненного с возможностью измерения уровня содержания кислорода в потоке отработавшего газа из двигателя, и который функционально связан с приводами на указанных клапанах регулирования потока, выполненных с возможностью независимого регулирования соответствующих расходов потоков, поступающих через указанные клапаны регулирования потока к средству для смешивания, в ответ на сигнал от указанного программируемого логического контроллера;
средство для подачи потока газа смешанного газового топлива в двигатель внутреннего сгорания; и
один или более цифровых процессоров, функционально связанных с указанной системой.
В соответствии с третьим аспектом изобретения предложен способ обеспечения потока газового топлива с требуемой теплотворной способностью из по меньшей мере источника газа с относительно высокой теплотворной способностью и источника газа с относительно низкой теплотворной способностью, включающий этапы:
a) обеспечения системы для смешивания газового топлива, содержащей:
средство для смешивания потоков газа из указанных источников газов с относительно высокой и низкой теплотворной способностью; и
средство для независимого регулирования соответствующих расходов газа из обоих указанных источников газов с относительно высокой и низкой теплотворной способностью;
b) направления газов из указанных источников газов с относительно высокой и относительно низкой теплотворной способностью в указанную систему для смешивания газового топлива и смешивания указанных газов с относительно высокой и относительно низкой теплотворной способностью с формированием смешанного потока газового топлива;
c) анализа состава указанного смешанного потока газового топлива;
d) независимого регулирования потоков каждого из указанных газов с относительно высокой и относительно низкой теплотворной способностью, по мере надобности, путем управления клапаном регулирования потока газа из источника газа с относительно высокой теплотворной способностью и клапаном регулирования потока газа из источника газа с относительно низкой теплотворной способностью, с получением требуемого состава указанного смешанного потока газового топлива; и
e) направления указанного смешанного газового топлива требуемого состава в двигатель внутреннего сгорания,
при этом управление как клапаном регулирования потока газа из источника газа с относительно высокой теплотворной способностью, так и клапаном регулирования потока газа из источника газа с относительно низкой теплотворной способностью на этапе d) выполняют на основании данных с датчика кислорода относительно измеренного уровня содержания кислорода в потоке отработавших газов указанного двигателя внутреннего сгорания.
Указанный источник газа с относительно высокой теплотворной способностью может представлять собой нефтяную и/или газовую скважину.
Указанный источник газа с относительно высокой теплотворной способностью может представлять собой сжиженный газ в емкостях.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показано упрощенное изображение устройства, в котором реализуются принципы настоящего изобретения.
На фиг. 2 показано более подробное схематическое изображение, на котором представлены определенные элементы устройства.
На фиг. 3 представлено изображение в перспективе одного варианта осуществления устройства.
На фиг. 4 и 5 показаны дополнительные изображения устройства, установленного в раме, при этом на фиг. 5 показаны защитные дверцы, установленные на раме.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО НА СЕГОДНЯШНИЙ ДЕНЬ ВАРИАНТА (ВАРИАНТОВ) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Несмотря на то что могут быть предложены различные системы для мониторинга и изменения газового топлива, со ссылкой на графические материалы могут быть описаны некоторые предпочтительные на сегодняшний день варианты осуществления, в которых реализуются принципы настоящего изобретения.
На фиг. 1 представлено упрощенное схематическое изображение системы согласно настоящему изобретению, на котором основные элементы системы показаны в общих чертах. На фиг. 2 представлено схематическое изображение, на котором более подробно показана представленная в качестве примера система. В показанный накопительный резервуар подается два потока газа: поток газа с (относительно) высокой ТС, как показанный, и поток газа с (относительно) низкой ТС, как показанный. Для удобства эти два потока будут называться «потоком газа с высокой ТС» и «потоком газа с низкой ТС». Из накопительного резервуара смешанный поток газового топлива (то есть смесь из потока газа с высокой ТС и потока газа с низкой ТС) по топливопроводу попадает в показанный двигатель. Смешанный поток газового топлива обладает характеристиками, прежде всего коэффициентом ТС, которые обеспечивают возможность эффективной работы двигателя. Как показано на фиг. 2, поток газа с высокой ТС может содержать «промысловый газ», то есть природный газ, добытый из одной или нескольких нефтяных/газовых скважин, в целом в необработанном состоянии, который подвергся только первичной сепарации (для удаления из природного газа углеводородных жидкостей и воды, но при этом, как правило, по-прежнему остается поток относительно богатого природного газа). В качестве альтернативы поток газа с высокой ТС может содержать пропан или другой углеводород, который хранится на месте в жидком состоянии, в качестве всего или части потока. Течение этого потока газа регулируют посредством соответствующего клапана 10.
Является понятным то, что поток топлива с указанной ТС также могу содержать другие источники, и любые такие источники входят в объем настоящего изобретения. В качестве еще одного примера поток с указанной ТС может содержать пропан или другой углеводород, полученный в перерабатывающей или подобной установке, который может содержать «избыточный» поток газа из перерабатывающей установки.
Двигатель внутреннего сгорания может быть двигателем любого типа, в котором применяется поток газового топлива, в том числе, но без ограничения двигателем возвратно-поступательного действия (поршневым), газотурбинным двигателем, «роторным» двигателем или двигателем любого другого типа.
2
Как правило, на трубопроводе для потока газа с высокой ТС установлен клапан, регулирующий течение такого потока в накопительный резервуар, который может быть шаровым клапаном 6, обратным клапаном 7, регулятором 8 давления и клапаном 9 регулирования потока (который может быть шаровым клапаном с V-образным запорным элементом и который снабжен приводом). Как более подробно описано ниже, клапан 9 регулирования потока срабатывает на основании данных с датчика 1 O (кислорода) и связанного с ним ПЛК (программируемого логического контроллера) 2.
2
В качестве альтернативы датчику O для определения насыщенности потока газового топлива может применяться хроматограф.
2
В накопительный резервуар также вводится поток газа с низкой ТС. В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, одним из возможных источников потока газа с низкой ТС является отработавший газ из двигателя. Отработавший газ (из известного элемента для выпуска отработавших газов двигателя) направляется через теплообменник 4, чтобы снизить температуру до допустимого значения; через компрессор 5 для обеспечения требуемого давления; затем через шаровой клапан 6, обратный клапан 7, регулятор 8 давления и клапан 9 регулирования потока (который может быть шаровым клапаном с V-образным запорным элементом и который снабжен приводом) для регулирования течения такого потока в накопительный резервуар. Как более подробно описано ниже, клапан 9 регулирования потока срабатывает на основании данных с датчика 1 O (кислорода) и связанного с ним ПЛК (программируемого логического контроллера) 2.
Как альтернатива применению отработавшего газа из двигателя, в качестве источника газа с низкой ТС может применяться окружающий воздух. Применение воздуха (который все же сжимается перед попаданием в накопительный резервуар) исключает необходимость в теплообменнике и охлаждении потока газа с низкой ТС. На фиг. 1, если в качестве газа с низкой ТС необходимо использовать окружающий воздух или инертный газ, такой как азот, то воздух или инертный газ в целом вводится в поток газа с низкой ТС, как показано (за теплообменником 4, который не нужен, и перед компрессором 5, так что воздух или инертный газ может сжиматься). Является понятным то, что в объем настоящего изобретения входят все источники газа с низкой ТС.
2
Система отслеживает общую ТС потока газового топлива и регулирует соотношения (относительные расходы) между потоками газа с высокой ТС и низкой ТС для обеспечения газового топлива с подходящей ТС. Датчик 1 кислорода определяет уровень содержания кислорода в отработавшем газе двигателя; если уровень содержания O в отработавшем газе слишком высокий, то имеется недостаточно газа с высокой ТС, и посредством ПЛК (2), а также клапанов 9 регулирования потока, расходы регулируются (в относительном выражении) для увеличения потока газа с определенной ТС. В качестве альтернативы, если уровень содержания O2 в отработавшем газе слишком низкий, то имеется слишком много газа с высокой ТС, и посредством ПЛК (2), а также клапанов 9 регулирования потока, расходы регулируются (в относительном выражении) для уменьшения потока газа с определенной ТС.
Накопительный резервуар также содержит датчик 3 давления. Когда датчик 3 давления обнаруживает уменьшение давления в накопительном резервуаре, что указывает на необходимость в увеличении количества топлива для двигателя, то посредством датчика 3 давления, ПЛК 2 и клапанов 9 регулирования потока расход из накопительного резервуара увеличивается путем синхронного открывания обоих клапанов регулирования потока, в результате чего соотношение между высокой ТС и низкой ТС на месте сохраняется. Является понятным то, что уменьшение необходимости в топливе обуславливает обратное действие.
Любые жидкости, которые отделяются от комбинированных потоков газа в накопительном резервуаре, могут выводиться посредством дренажного клапана для жидкости в основании накопительного резервуара. При необходимости на трубопроводах для газа могут устанавливаться сита и фильтры для обеспечения того, что в систему не попадут твердые вещества.
Является понятным то, что система также может использоваться для повышения ТС источника газа, чтобы сделать ее подходящей для газового топлива; например, если источник основного газа представляет собой газ с относительно низкой ТС, такой как биогаз, то ТС смешанного потока газового топлива можно повысить добавлением пропана или другого газа с относительно высокой ТС.
На фиг. 3 представлено изображение в перспективе одного варианта осуществления системы, обобщенно показанной на фиг. 1, при этом изображены различные компоненты.
На фиг. 4 и 5 показаны основные компоненты системы, установленной в или на раме, при этом на фиг. 5 также показаны предохранительные, или защитные, дверцы, установленные на раме.
Следует отметить, что для обеспечения эффективной работы с различными компонентами системы функционально связан один или несколько цифровых процессоров.
Применение системы
Ниже в качестве примера описано применение системы. Система для газового топлива, описанная выше, может устанавливаться в раму и транспортироваться в требуемое место, например на кустовую площадку, где находится одна или несколько эксплуатационных нефтяных/газовых скважин и где размещен двигатель внутреннего сгорания. Двигатель может использоваться для приведения в действие электрогенераторной установки или для любой другой цели. Поток газа из внутренней системы сепарации (в которую общий поток направляется из скважины) может служить потоком газа с высокой ТС и подается через впускной элемент, показанный на фиг. 2 как «элемент для впуска промыслового газа». Соответствующий поток газа с низкой ТС подается в зависимости от таких характеристик потока с указанной ТС, как ТС (и другие). Как описано выше, поток газа с низкой ТС может содержать (только в качестве примера) окружающий воздух, отработавший газ из двигателя или переведенный в газообразное состояние азот (как правило, доставляется на место в жидком состоянии).
Характеристики двигателя достаточно известны, поэтому можно выполнить определенный расчет соотношения между высокой ТС и низкой ТС (исходное соотношение). Потоки газа с высокой ТС и низкой ТС затем направляются в накопительный резервуар в требуемом соотношении, смесь в виде газового топлива направляется в двигатель, и двигатель запускается. Посредством датчика 1 кислорода, посылающего сигналы на ПЛК 2 и поэтому управляющего клапанами 9 регулирования потока, можно получать и сохранять соответствующую смесь из газов с высокой ТС и низкой ТС.
Как описано выше, один или несколько цифровых процессоров обеспечивают возможность сбора эксплуатационных данных и их применение для регулирования характеристик потока.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Несмотря на то что в представленном выше описании содержится много конкретных деталей, следует понимать, что они представлены только с целью описания некоторых из предпочтительных на сегодняшний день вариантов осуществления изобретения, а не для его ограничения. Без отклонения от объема изобретения в отношении его различных аспектов можно вносить изменения.
Поэтому объем изобретения следует определять не на основании пояснительных примеров, представленных выше, а на основании прилагаемой формулы изобретения и ее законодательно обоснованных эквивалентов.