СУДОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА СЖИЖЕННОМ ПРИРОДНОМ ГАЗЕ
SHIP POWER PLANT RUNNING OF LIQUEFIED NATURAL GAS

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам и способам питания двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве систем питания газодизелей судовых энергетических установок с применением альтернативных видов топлива, в частности природного газа.
Известно об экономической эффективности применения сжиженного природного газа (СПГ) для различных видов автотранспорта и энергоснабжения удаленных населенных пунктов (Кириллов Н.Г. СПГ - моторное топливо XXI века. // НефтьГазпромышленность, №3, 2007. - Стр. 44-47).
Известно об экологической эффективности использования природного газа в энергетических установках. Замена традиционных видов моторного топлива (бензина и дизельного топлива) на природный газ позволяет снизить выбросы вредных компонентов отработанных газов в 3-8 раз (Кириллов Н.Г. Природный газ как моторное топливо и экология автомобильного транспорта России. М.: ИРЦ «Газпром», 2003. - Стр. 11-17).
Известен способ питания газодизеля, при котором в качестве основного топлива используют природный газ, а в качестве запальной дозы используют диметиловый эфир в конце такта сжатия под давлением 200-300 бар. Запальную дозу диметилового эфира смешивают с природным газом и дожимают, а затем охлаждают смесь до образования жидкой фазы и подают ее в конце такта сжатия более одного раза за такт (патент РФ №2472013, опубл. 10.01.2013). Однако диметиловый эфир является дорогостоящим видом топлива, а также отсутствует инфраструктура по заправке данным энергоносителем транспортных средств.
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).
Известно устройство двухтопливной системы питания для двигателя внутреннего сгорания, содержащее двигатель внутреннего сгорания, систему управления газодизельным циклом для поддержания оптимального соотношения газа, воздуха и запальной дозы дизельного топлива (патент РФ №2140007, опубл. 20.10.1999). Однако для хранения природного газа используются баллоны высокого давления, что приводит к значительному увеличению веса и массогабаритных характеристик топливной системы.
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 запорно-регулирующей арматурой, обеспечивающие подачу природного газа в двигатель и связь между резервуаром, испарителем и двигателем (патент РФ №2208747, опубл. 20.07.2003). Однако данная энергетическая установка не предназначена для ее использования на судне в двухтопливном режиме и не может использовать дизельное топливо как резервный вид топлива в случае отсутствия или невозможности заправки судна сжиженным природным газом.
Технический результат, который может быть получен при применении данного изобретения, заключается в повышении устойчивости и стабильности работы двигателя на газовом топливе, сокращении расхода дорогостоящего дизельного топлива, снижении токсичности выхлопных газов и снижении стоимости эксплуатации судовых энергетических установок, а также использовании дизельного топлива в качестве резервного вида топлива в случае отсутствия или невозможности заправки судна сжиженным природным газом.
Для достижения данного технического результата судовая энергетическая установка на сжиженном природном газе, состоящая 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 запорно-регулирующей арматурой, обеспечивающие подачу природного газа в двигатель и связь между резервуаром, испарителем и двигателем, 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 ресивер и газовую полость резервуара для хранения сжиженного природного газа, а в качестве греющей среды в испаритель подается забортная вода.
Введение в состав судовой энергетической установки на сжиженном природном газе ресивера, расположенного после испарителя, линии отвода отработанных газов двигателя, проходящей через ресивер, смесителя, расположенного между ресивером и двигателем, линии подачи дизельного топлива, обратного клапана между испарителем и ресивером, редукционного клапана между ресивером и газовоздушным смесителем, а также линии поддержания давления в резервуаре для хранения сжиженного природного газа, соединяющей ресивер и газовую полость резервуара для хранения сжиженного природного газа, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности повышения устойчивости и стабильности работы двигателя на переходных режимах за счет использования объема газообразного топлива, запасенного в ресивере, и стабильного обеспечения подачи необходимого количества сжиженного природного газа из резервуара для его хранения в испаритель за счет давления, возникающего при газификации сжиженного природного газа от теплоты забортной воды и передаваемого из ресивера в газовую полость резервуара, а также сокращение расхода дорогостоящего дизельного топлива, снижения токсичности выхлопных газов и снижения стоимости эксплуатации судовых энергетических установок за счет использования дизельного топлива только в качестве запальной дозы и замещения его природным газом, подаваемым в двигатель через газовоздушный смеситель.
На фиг. 1 изображено устройство судовой энергетической установки на сжиженном природном газе.
Судовая энергетическая установка на сжиженном природном газе включает в себя резервуар для хранения сжиженного природного газа 1, испаритель сжиженного природного газа 2 с линией подачи забортной воды (греющей среды) 3, линию поддержания давления 4 в резервуаре для хранения сжиженного природного газа 1, ресивер 5, расположенный после испарителя, линию отвода отработанных газов 6 от двигателя судна 7, проходящую через ресивер 5, газовоздушный смеситель 8, расположенный между ресивером 5 и двигателем 7, линию подачи дизельного топлива 9, обратный клапан 10 между испарителем 2 и ресивером 5, редукционный клапан 11 между ресивером 5 и газовоздушным смесителем 8, при этом линия поддержания давления 4 в резервуаре для хранения сжиженного природного газа 1 соединяет ресивер 5 и газовую полость 15 резервуара для хранения сжиженного природного газа 1. Двигатель судна 7 соединен валом 12 с гребным винтом 13 через редуктор 14. Воздух в газовоздушный смеситель 8 подается по линии подачи воздуха 16. Между резервуаром для хранения сжиженного природного газа 1 и испарителем 2 установлен обратный клапан 17, а на линии поддержания давления 4 в резервуаре для хранения сжиженного природного газа 1 установлен запорный клапан 18.
Судовая энергетическая установка на сжиженном природном газе работает следующим образом.
Двигатель судна 7 запускается на дизельном топливе, подаваемом в двигатель 7 по линии подачи дизельного топлива 9, и смешивается с воздухом, поступающим в двигатель 7 по линии подачи воздуха 16 через смеситель 8. Затем переходит на газодизельный режим работы.
Горячие отработанные газы поступают из двигателя 7 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 открытый запорный 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 по линии подачи греющей среды 3 подается забортная вода необходимого объема для газификации сжиженного природного газа. 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 судовой 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 судовой 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 судовой 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 судно.
Источники информации
1. Кириллов Н.Г. СНГ - моторное топливо XXI века. // НефтьГазпромышленность, №3, 2007. - Стр. 44-47.
2. Кириллов Н.Г. Природный газ как моторное топливо и экология автомобильного транспорта России. М.: ИРЦ «Газпром», 2003. - Стр. 11-17.
3. Патент РФ №2472013, опубл. 10.01.2013.
4. Генкин К.И. Газовые двигатели. - М.: Машиностроение, 1977. - Стр. 156-167.
5. Патент РФ №2140007, опубл. 20.10.1999.
6. Патент РФ №2208747, опубл. 20.07.2003, - прототип.