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船用双燃料发动机台架试验天然气供气系统

2019-03-18苏东旺许秀芹

煤气与热力 2019年3期
关键词:中速双燃料供气

苏东旺, 许秀芹

(中机国际工程设计研究院有限责任公司华东分院,江苏南京210049)

1 概述

本工程设计的天然气供气系统要求能满足2套双燃料低速机台架同时试验或者1套双燃料低速机台架和2套双燃料中速机台架同时试验。根据双燃料发动机试验规程,单台中速机试验过程流量为20~1 300 m3/h,中速机控制阀组前天然气压力要求0.67~0.73 MPa,总耗气量为600~8 000 m3。单台低速机试验过程流量为180~3 000 m3/h,低速机控制阀组前天然气压力要求1.5~1.6 MPa,总耗气量为6 000~18 000 m3。故确定本工程最大流量为6 000 m3/h,单次试验最大用气量为36 000 m3。

天然气供气系统可以由市政中压管道天然气或LNG作为气源,经调压计量后输送至台架进行试验[1]。

2 不同气源条件下供气系统的设计

2.1 气源为市政中压管道天然气

市政中压管道天然气作为气源时,天然气供气系统流程见图1。下面以系统最大流量6 000m3/h对各设备进行选型。

① 计量调压

市政中压管道来气(压力为0.2~0.4 MPa)首先经过计量设备进行贸易计量,本工程采用两台超声波流量计,进出口公称直径为200 mm,流量范围为68~3 400 m3/h,并联设置。

为保证压缩机进口压力稳定,压缩机前设置调压器,调压器额定流量按照最大流量的1.2倍设置,为7 200 m3/h,双路设置,1用1备,进口压力为0.2~0.4 MPa,出口压力为0.1 MPa。

② 加压

加压设备包括压缩机组、进气缓冲罐(1个)、排气缓冲罐(1个)。

本工程根据发动机试验规律设置3台活塞式压缩机,并联布置,每台压缩机额定流量为2 500 m3/h,进口压力为0.1~0.4 MPa,出口压力为1.6~1.8 MPa。从节能角度考虑,由于中速双燃料发动机和低速双燃料发动机用气压力不同,在系统中可设置不同出口压力的压缩机组。双燃料发动机试验过程具有阶段性和间歇性,最大流量较大而总用气量较小,若将中速双燃料发动机和低速双燃料发动机加压系统分开设置,则需要设置多台压缩机组,这使得设备购置费用和运行维护费用增加,增加的这些费用将远大于所节约的能源费用。故本工程将中速双燃料发动机和低速双燃料发动机加压系统统一设置,即先将管道天然气统一加压至1.6~1.8 MPa,然后通过精确调压,将天然气压力调节至符合双燃料发动机试验要求的压力。

图1 市政中压管道天然气供气流程

按照天然气在进气缓冲罐内停留时间为10 s,计算得出进气缓冲罐的容积,计算公式为:

(1)

式中V1——进气缓冲罐容积,m3

q——系统最大流量,m3/h

t1——缓冲时间,s

p——大气压力,取0.1 MPa

pj——市政中压来气压力,MPa,此处取0.2 MPa

根据公式(1)计算可得进气缓冲罐容积为5.6 m3,取6.0 m3,设计压力取1.0 MPa。

为减小压缩机脉冲影响,稳定系统压力,压缩机组后设置1个排气缓冲罐。排气缓冲罐按照2 min的缓冲量考虑,其容积计算公式为:

(2)

式中V2——排气缓冲罐容积,m3

t2——缓冲时间,s,此处取120 s

pc——压缩机的额定排气压力,MPa,此处取1.6 MPa

按照式(2)计算得出排气缓冲罐容积为11.8 m3,取12.0 m3,设计压力取2.5 MPa。

③ 干燥

干燥设备设计流量为6 000 m3/h,设计压力2.0 MPa,干燥后天然气水露点(1.6 MPa下)应小于-60 ℃。本工程采用分子筛干燥器,设置两台干燥橇,并联布置,单台设计流量6 000 m3/h,1用1备。

④ 过滤

过滤器去除天然气中的固体杂质,本工程采用1台筒形过滤器,过滤精度根据发动机要求设置为5 μm。

⑤ 精确计量调压

由于双燃料中速机与低速机用气压力、用气量不同,经压缩后的天然气在供给不同发动机前需进行调压,并根据不同发动机的用气量安装相应的流量计。双燃料发动机试验过程中用气量变化较大,本工程选用质量流量计。为保护发动机控制阀组,调压设备应具备超压切断功能。

⑥ 控制阀组

控制阀组(GVU)既作为发动机的控制设备,又作为供气系统的一部分,一般随发动机成套发货。

⑦ 强制通风

试验车间内的供气管道采用双壁管, 双壁管供气系统见图2。双壁管内管两端分别与发动机燃料进口和车间外供气管道连接,介质为天然气。双壁管外管一端与车间内空间通过沿圆周均匀分布的12个直径为2 mm的小孔相通,另一端与室外离心式排风机连接,外管介质为空气,内外管两种介质流向相反。当发生泄漏,内管中的天然气泄漏至外管中时,通过安装在室外管口的离心式排风机将天然气抽至室外,防止天然气聚积发生爆炸。正常运行时,离心式排风机应保持运转,以维持双壁管外管微负压并保证换气次数不小于45次/h。

由于国内尚未出台船舶发动机用双壁管的制作规范[2-3],本工程双壁管的焊接、直管和管件(弯头、三通)连接以及内管支架做法等参照SH/T 3040—2012《石油化工管道伴管及夹套管设计规范》和SH/T 3546—2011《石油化工夹套管施工及验收规范》。

双壁管供气及通风的设计在常规计算的基础上[4],参照中国船级社武汉规范研究所编制的《天然气燃料动力船舶规范》(2017)中关于船用双壁管的相关内容,尽量使试验供气系统的运行状态接近船舶上供气系统的状态,为双燃料发动机台架试验提供合适的条件。

图2 双壁管供气系统

⑧ 氮气置换

根据发动机试验规程,发动机每次停机之后都需要对双壁管内管注入氮气,将供气管内的天然气置换为氮气,以防止发动机启动时发生爆燃。氮气置换设备与发动机本体上的氮气吹扫口相连,沿与天然气进气方向的反方向吹扫,将发动机燃烧室和供气管道内的天然气排出。氮气的吹扫压力为供气管内天然气压力的1.5倍,吹扫速度不大于5 m/s,吹扫时间由实际情况确定,本工程设置为20 min。

单台中速机台架试验供气系统主要设备(过滤器之后的设备)见表1,单台低速机台架试验供气系统主要设备(过滤器之后的设备)见表2。

表1 中速机台架试验供气系统主要设备(过滤器之后的设备)

表2 低速机台架试验供气系统主要设备(过滤器之后的设备)

2.2 气源为LNG

LNG作为气源时,供气主要流程为:LNG从储罐导出,经过LNG增压泵加压(或通过旁通管路),进入空温式气化器,气化得到天然气,此流程节点就是图1中的节点A,节点A后见图1。

LNG作为气源运行时分为两种情况:有低速机试验和无低速机试验。

当低速机和中速机同时试验时,由于低速机用气压力较高,储罐内的LNG需经LNG增压泵增压后进入气化器气化[5],气化后天然气压力为1.6~1.8 MPa,经不同的调压计量设备后,为低速机和中速机供气。当只有中速机试验时,储罐内的LNG可不经LNG增压泵增压,直接进入气化器气化,气化后的天然气压力为0.7 MPa,可以满足中速机试验。

天然气供气系统主要由卸车增压器、LNG储罐、LNG增压泵、空温式气化器、调压计量设备、控制阀组、强制通风、氮气置换等设备组成。下面以系统最大流量6 000 m3/h对各设备进行选型。

① 卸车增压器

通过卸车增压器将LNG槽车中的LNG输送至LNG储罐中。本工程选用卸车增压器设计流量300 m3/h,设计压力为1.6 MPa。

② LNG储罐

选用1台100 m3LNG立式储罐,储罐设计压力0.77 MPa,操作压力0.7 MPa,设计温度-196 ℃。

③ LNG增压泵

选用1台浸没式低温潜液泵作为LNG增压泵,设计流量20 m3/h,出口压力2.0 MPa,设计温度为-196 ℃。

④ 空温式气化器

选择4台空温式气化器,单台设计流量3 400 m3/h,设计压力2.5 MPa, 2用2备。

流程节点A之后的设备选型与气源为市政中压管道天然气时相同。

3 两种气源条件下天然气供气系统的比较

① 从气源保障能力看,管道天然气具有气源稳定的优点,LNG的供应受市场影响,具有较大的不确定性。

② 从双燃料发动机试验规律和企业自身条件看,当双燃料发动机的生产试验处于起步阶段或者订单量较少时,以LNG作为气源有投资较小、建设方便的优点。特别是在现阶段船舶市场整体低迷的情况下,使用LNG作为临时气源为双燃料发动机实验台架供气显得更加经济。

③ 从天然气供气系统运行和维护角度看,管道天然气系统具备自动化程度高、人为操作少的优点,正常运行状态下可以实现完全自动化;而LNG供气系统的卸车、增压泵启停等操作均需工作人员现场值守。

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