Система газоподготовки газомоторного локомотива
GAS ENGINE LOCOMOTIVE GAS TREATMENT SYSTEM

Изобретение относится к тяговому железнодорожному подвижному составу и касается системы газоподготовки газомоторного локомотива, посредством которой осуществляется хранение, регазификация сжиженного природного газа (далее - СПГ) и выдача газообразного топлива в силовые установки тяговых секций локомотива (одну или несколько).
Известно устройство подачи газообразного топлива из тендерной секции в двигатель внутреннего сгорания на тяговой секции локомотива, включающее криогенный бак, предназначенный для хранения газообразного топлива при сверхнизкой температуре, первый насос для нагнетания газообразного топлива из криогенного бака до первого давления, первый теплообменник для получения паров газообразного топлива под первым давлением, трубопровод для подачи паров газообразного топлива из первого теплообменника в двигатель внутреннего сгорания, датчик давления, функционально связанный с трубопроводом, который предназначен для измерения давления паров газообразного топлива, и криогенный регулятор, функционально связанный с первым насосом и датчиком давления и запрограммированный на получение сигналов с датчика давления, отражающих давление паров газообразного топлива, а также на управление первым насосом с целью поддержания давления паров газообразного топлива в пределах 310-575 бар (патент RU 2627323 С2, МПК В61С 5/00, опубликовано 07.08.2017).
Недостатками устройства являются:
- ограниченный ресурс работы и сложность технического обслуживания и ремонта криогенных насосов;
- усложнение конструкции устройства из-за использования вспомогательной теплообменной системы для сжигания паров СПГ из криогенной емкости и подогрева жидкого теплоносителя, а также из-за использования смесителей для подготовки газо-воздушной смеси на тендерной секции локомотива, что потребует прокладки дополнительных трубопроводов;
- уменьшение длины пробега локомотива между его заправками из-за сжигания части запаса газа для подогрева СПГ при регазификации.
Известна система подачи криогенного топлива для питания двигателя, содержащая криогенную емкость для хранения сжиженного криогенного топлива, соединенную через криогенный насос, топливный фильтр, масляный теплообменник, газовый теплообменник с газовыми форсунками двигателя, обратный газопровод для захолаживания агрегатов системы, клапана, блок управления, в которой в качестве криогенного насоса использован регулируемый объемный криогенный насос повышенного давления для подачи и регулирования топлива в двигатель, система снабжена управляемым дросселем, газовым смесителем, газовым ресивером, управляемым дозатором газа, причем криогенная емкость соединена с газовыми форсунками двигателя через регулируемый объемный криогенный насос повышенного давления, масляный теплообменник, газовый теплообменник, смеситель газовый, газовый ресивер, топливный фильтр, управляемый дозатор газа, параллельно масляному и газовому теплообменникам к входам смесителя газового и масляного теплообменника подсоединен управляемый дроссель, обратный трубопровод подсоединен к регулируемому объемному криогенному насосу повышенного давления и к криогенной емкости, выход регулируемого объемного криогенного насоса повышенного давления соединен с криогенной емкостью дополнительным трубопроводом с управляемым клапаном для сброса избытка криогенного топлива, между криогенной емкостью и выходом топливного фильтра установлен дополнительный трубопровод с управляемым клапаном для обеспечения постоянства давления в криогенной емкости (патент RU 2427724 С1, МПК F02M 21/02, опубликовано 27.08.2011). Недостатками системы являются:
- ограниченный ресурс работы и сложность технического обслуживания и ремонта криогенных насосов;
- снижение надежности работы газового теплообменника из-за высоких температур выхлопных газов газотурбинного двигателя и пульсации газовых струй.
Известна система подачи криогенного топлива в энергетическую установку, содержащая топливный бак, подкачивающий насос, теплообменник-газификатор, отсечной клапан, компрессор, снабженная адиабатным парогенерирующим устройством и сепаратором, при этом вход теплообменника-газификатора через вентиль соединен с топливным баком, вход адиабатного парогенерирующего устройства соединен с выходом теплообменника-газификатора и через вентиль с топливным баком, выход адиабатного парогенерирующего устройства соединен со входом сепаратора, первый выход сепаратора через подкачивающий насос и вентиль соединен с топливным баком, а второй выход сепаратора через компрессор и отсечной клапан соединен с энергетической установкой (патент RU 2347934 С1, МПК F02M 21/02, опубликовано 27.02.2009 г.).
Недостатками системы являются:
- ограниченный ресурс работы и сложность технического обслуживания и ремонта криогенных насосов;
- усложнение конструкции системы из-за необходимости применения компрессора с электроприводом для повышения давления газа на входе в двигатель.
Технический результат, на достижение которого направлено предложенное изобретение, заключается в упрощении конструкции системы газоподготовки газомоторных локомотивов (далее по тексту - Системы), увеличении ее надежности за счет отказа от сложного технического оборудования, что облегчит и упростит техническое обслуживание и ремонт системы и ее элементов. Установленный в Системе регазификатор позволит применять различные теплоносители для нагрева СПГ, газовый редуктор обеспечит возможность регулировки давления газа, подаваемого в силовые установки тяговых секций и, как следствие, обеспечит совместимость Системы с тяговыми секциями, оборудованными различными двигателями внутреннего сгорания (ДВС), потребляющими в качестве топлива природный газ, а объединение части газового оборудования Системы в модули подготовки и подачи газа, активируемые в зависимости от количества включенных в работу тяговых секций (требуемой силы тяги) тяговой единицы (локомотива) обеспечит универсальность Системы.
Указанный технический результат достигается тем, что в систему газоподготовки газомоторного локомотива, включающую в себя емкость для хранения, транспортирования и подачи сжиженного природного газа, предохранительные клапаны с отводящими трубопроводами сброса газа для защиты элементов системы от превышения давления паров газа выше допустимого значения, регазификатор для нагрева сжиженного природного газа и перевода его в газообразное агрегатное состояние, газовый фильтр для очистки газа от загрязнений, ресивер для компенсации перепадов давления газа при изменении его расхода, запорную арматуру на трубопроводах циркуляции сжиженного и газообразного топлива, запорную арматуру на трубопроводах теплоносителя для обеспечения нагрева и испарения сжиженного природного газа в регазификаторе, включен дополнительный контур, содержащий атмосферный испаритель для поддержания требуемого давления в газовой подушке емкости, запорную арматуру, криогенные и газовые трубопроводы, соединяющие атмосферный испаритель с емкостью, между регазификатором и ресивером установлен редуктор для поддержания заданного давления газа, подаваемого в тяговую секцию газомоторного локомотива, а регазификатор, редуктор, фильтр, ресивер, запорная арматура трубопроводов для циркуляции сжиженного и газообразного топлива и сами трубопроводы циркуляции сжиженного и газообразного топлива, запорная арматура трубопроводов теплоносителя и сами трубопроводы теплоносителя объединены в модуль подготовки и подачи газообразного топлива в тяговую секцию газомоторного локомотива, причем количество модулей подготовки и подачи газового топлива в тяговую секцию газомоторного локомотива соответствует количеству подключаемых в работу тяговых секций.
Изобретение поясняется чертежом.
На Фиг. изображена система газоподготовки газомоторного локомотива.
Система включает в себя емкость 1 для хранения, транспортирования и подачи запаса сжиженного природного газа, предохранительные клапаны 2 с отводящими трубопроводами 3 сброса газа для защиты элементов системы от превышения давления паров газа выше допустимого значения, регазификатор 4 для нагрева сжиженного природного газа и перевода его в газообразное агрегатное состояние, газовый фильтр 5 для очистки газа от загрязнений, ресивер 6 для компенсации перепадов давления газа при изменении его расхода, запорную арматуру 7 и 8 на трубопроводах 9 и 10 циркуляции соответственно сжиженного и газообразного топлива, запорную арматуру 11 на трубопроводах 12 теплоносителя для обеспечения нагрева и испарения сжиженного природного газа в регазификаторе 4. В Систему включен дополнительный контур, содержащий атмосферный испаритель 13 для поддержания требуемого давления в газовой подушке емкости 1, запорную арматуру 14, трубопроводы 9.1 и 10.1 для циркуляции соответственно сжиженного и газообразного топлива, соединяющие атмосферный испаритель 13 с емкостью 1. Между регазификатором 4 и ресивером 6 установлен редуктор 15 для поддержания заданного давления газа, подаваемого в тяговую секцию газомоторного локомотива. Регазификатор 4, редуктор 15, фильтр 5, ресивер 6, запорная арматура 7 и 8 на трубопроводах 9 и 10 циркуляции соответственно сжиженного и газообразного топлива, сами трубопроводы 9 и 10 циркуляции сжиженного и газообразного топлива, запорная арматура 11 на трубопроводах 12 теплоносителя, сами трубопроводы 12 теплоносителя объединены в модуль подготовки и подачи газообразного топлива в тяговую секцию газомоторного локомотива.
Изобретение работает следующим образом.
При подаче сжиженного газа в тяговые секции происходит падение давления в емкости. При снижении давления газа в емкости ниже заданного значения открывается запорная арматура 14, и часть СПГ из емкости 1 поступает в дополнительный контур, содержащий атмосферный испаритель 13, где переходит в газообразное агрегатное состояние за счет нагрева атмосферным воздухом, и в виде газа поступает в газовую подушку емкости, обеспечивая увеличение давления в емкости до значения, при котором запорная арматура 14 закрывается. Циклы открытия и закрытия запорной арматуры 14 неоднократно повторяются, чем обеспечивается стабильное давление газа в емкости и поступление СПГ в модуль подготовки и подачи газообразного топлива в тяговую секцию локомотива (далее по тексту - Модуль).
При подготовке к работе и работе одной из тяговых секций локомотива запорная арматура 7 соответствующего Модуля открывается и СПГ из емкости 1 поступает в Модуль.
Модуль объединяет в себе следующее криогенное и газовое оборудование: регазификатор 4, где СПГ испаряется за счет теплообмена с внешними теплоносителями, редуктор 15, поддерживающий на выходе давление газа, требуемое для подачи в тяговую секцию, газовый фильтр 5, где газ очищается от загрязнений, ресивер 6, служащий для компенсации перепадов давления газа при изменении его расхода, запорную арматуру 7 и 8 на трубопроводах 9 и 10 циркуляции соответственно сжиженного и газообразного топлива и сами трубопроводы 9 и 10, запорную арматуру 11 трубопроводов 12 теплоносителя и сами трубопроводы 12 теплоносителя.
Из каждого работающего Модуля подготовленное газообразное топливо поступает в соответствующую тяговую секцию газомоторного локомотива.
Количество и расположение Модулей в газомоторном локомотиве зависит от общей компоновки оборудования для циркуляции сжиженного и газообразного топлива в самом Модуле, количества подключаемых тяговых секций газомоторного локомотива и их расположения относительно секции с Системой в тяговой единице.
Универсальность предлагаемой Системы достигается за счет возможности применения любого теплоносителя для регазификации СПГ (жидкого - масло, вода, антифриз или газообразного - например, продукты сгорания какого-либо топлива), за счет реализованной возможности применения с локомотивами, имеющими любые двигатели внутреннего сгорания, использующие СПГ в качестве моторного топлива, а также за счет возможности формирования тяговой единицы в составе одной или нескольких тяговых секций в зависимости от массы перевозимых поездов путем задействования в Системе необходимого количества модулей подготовки и подачи газообразного топлива в тяговую секцию газомоторного локомотива.
В предлагаемой Системе обеспечение требуемого давления (и расхода) газообразного топлива, подаваемого в тяговые секции на всех режимах работы локомотива сколь угодно продолжительное время достигается за счет регулировки выходного давления газа в газовом редукторе каждого Модуля, без применения криогенных насосов или газовых компрессоров с электрическим приводом.