ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА СЖИЖЕННОМ ПРИРОДНОМ ГАЗЕ
POWER PLANT ON LIQUEFIED NATURAL GAS

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам и способам питания судовых двигателей внутреннего сгорания.
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 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 запорнорегулирующей арматурой, обеспечивающие подачу природного газа в двигатель и связь между резервуаром, испарителем и двигателем [патент РФ №2208747, опубл. 20.07.2003].
Недостатком такой энергетической установки является отсутствие возможности использования на судне в двухтопливного режима и использования дизельного топлива как резервного вида топлива в случае отсутствия или невозможности заправки судна сжиженным природным газом.
Известна судовая энергетическая установка на сжиженном природном газе, которая 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 через запорный клапан ресивер и газовую полость резервуара для хранения сжиженного природного газа, а в качестве греющей среды в испаритель подается забортная вода [патент РФ №2598478, опубл. 20.11.2015].
Недостатком такой энергетической установки являются высокие эксплуатационные расходы, выбросы вредных веществ в окружающую среду.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является снижение эксплуатационных расходов, выбросов вредных веществ в окружающую среду, а также улучшение пусковых показателей.
Технический результат достигается тем, что в энергетическую установку на сжиженном природном газе состоящую из газодизеля, системы хранения сжиженного природного газа и подачи природного газа в газодизель, включающей в себя резервуар для хранения сжиженного природного газа, испаритель сжиженного природного газа с подводящим трубопроводом греющей среды, линию поддержания давления в резервуаре для хранения сжиженного природного газа, линию подачи воздуха, линию подачи воздуха в газодизель, ресивер, расположенный после испарителя, линию отвода отработавших газов, проходящей через ресивер, газовоздушный смеситель, расположенный между ресивером и газодизелем, линию подачи дизельного топлива, обратный клапан между испарителем и ресивером, редукционный клапан между ресивером и газовоздушным смесителем, при этом линия поддержания давления в резервуаре для хранения сжиженного природного газа соединяет через электроуправляемый клапан ресивер и газовую полость резервуара для хранения сжиженного природного газа дополнительно в линию подачи топлива установлен газотопливный смеситель, соединенный с линией поддержания давления в резервуаре через электроуправляемые клапаны, выход которого через электроуправляемый клапан соединен с топливной системой газодизеля, а в линии подачи воздуха и отвода отработавших газов подключены компрессор и турбина дополнительно установленного турбокомпрессора, причем выход компрессора соединен с входом газовоздушного смесителя, вход турбины соединен с выходом отработавших газов газодизеля, выход турбины соединен с ресивером через линию отвода отработавших газов, а в качестве греющей среды в испаритель подается вода из системы охлаждения.
Введение газотопливного смесителя позволит получить высокодисперсную однородную (гомогенную) смесь горючего газа и дизельного топлива с водородом или синтез-газом для успешного перемешивания до однородного состава по всему объему камеры сгорания.
Введение компрессора и турбины, образующих турбокомпрессор позволит не допустить падение мощности газодизеля, сохранив максимальную частоту вращения коленчатого вала на всех режимах работы газодизеля, а также облегчить его пуск.
Введение блока управления позволит обеспечить регулирование процесса, улучшая полноту сгорания и снижая выбросы вредных веществ.
На фиг. приведена энергетическая установка на сжиженном природном газе.
Энергетическая установка на сжиженном природном газе содержит резервуар для хранения сжиженного природного газа 1, испаритель сжиженного природного газа 2, подводящий трубопровод греющей среды 3, линию поддержания давления 4, ресивер 5, линию отвода отработанных газов 6, двигатель 7, газовоздушный смеситель 8, линию подачи дизельного топлива 9, обратный клапан 10, редукционный клапан 11, вал 12, гребневой винт 13, редуктор 14, газовую полость 15, линию подачи воздуха 16, обратный клапан 17, электроуправляемые клапаны 11, 18, 22, 25, 26, турбину турбокомпрессора 19, компрессор турбокомпрессора 20, линию подачи воздуха в газовоздушный смеситель 21, блок управления 23, газотопливный смеситель 24, отводящий трубопровод греющей среды 27.
Энергетическая установка на сжиженном природном газе работает следующим образом.
Двигатель 7 запускается на дизельном топливе, подаваемом по линии подачи дизельного топлива 9, и смешивается с воздухом, поступающим в двигатель 7 по линии подачи воздуха 16 через компрессор 20 турбокомпрессора, далее по линии подачи воздуха 21 в смесителе 8. Затем переходит на газодизельный режим работы. Горячие отработанные газы поступают из двигателя 7 на лопатки турбины 19 турбокомпрессора и 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 электроуправляемый 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 поступает необходимый объем воды из системы охлаждения для газификации сжиженного природного газа путем регулирования с помощью подводящего трубопровода греющей среды 3 и отводящего трубопровода греющей среды 27. 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 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 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 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 транспортное средство.
При работе на дизельном топливе электроуправляемые клапаны 11, 18, 22, 25 - закрыты, а электроуправляемый клапан 26 открыт.При работе на дизельном топливе с добавками в топливо природного газа через газотопливный смеситель 24, электроуправляемые клапаны 11, 25 - закрыты, а электроуправляемые клапаны 22, 26 открыты. При работе на природном газе все электроуправляемые клапаны И, 18, 22, 25, 26 открыты.
Режимы работы энергетической установки устанавливаются блоком управления 23, входящем в состав автоматизированной системой управления, через воздействие на газотопливный смеситель, в соответствии с заложенными ограничениями и экспериментально установленной эффективностью этих режимов нагрузочной характеристики: запуск, прогрев, холостой ход, низкие нагрузки, средние и максимальные нагрузки, а также повышение нагрузки и сброс нагрузки.
Предлагаемая энергетическая установка на сжиженном природном газе позволит повысить эффективность и экологическую безопасность, улучшить пусковые и эксплуатационные показатели. Также появится возможность работы энергетической установки при запуске и холостом ходу на дизельном топливе, а на средних и максимальных нагрузках с добавками природного газа и на природном газе с запальной дозой дизельного топлива.