NO812328L - Fremgangsmaate ved utnyttelse av avkok fra kryogene vaesker som brennstoff i en tostoffs-dieselmotor, og system for utnyttelse av fremgangsmaaten - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte ved utnyttelse av avkok fra kryogene væsker som brennstoff i en tostoffs-dieselmotor ombord i et skip, og oppfinnelsen vedrører også et system for tilføring av avkok fra en kryogen væske som brennstoff til en tostoffs-dieselmotor ombord i et skip.

Oppfinnelsen er særlig utviklet i forbindelse

med såkalte LNG-skip, dvs. skip som fører gass i flytende-gjort form, i det etterfølgende benevnt som kryogen væske. Gass-skip og særlig LNG-skip har et spesielt problem i og med

at varmelekkasje til lastetankene bevirker dannelse av såkalt avkok, dvs. at det fremkommer en viss gassmengde som man må ta vare på, enten ved rekondensering eller ved avbrenning, alterna-tivt ved å benytte gassen som brennstoff for fremdrifts- og hjelpemaskineri.

Når det gjelder bruk av avkok som brennstoff

ombord 1 LNG-skip, har den mest benyttede løsning vært å brenne avkoket i forbindelse med dampturbinmaskineri,

dvs. som tilleggsbrensel til skipskjeler, som da også

brenner tungolje. Driftsmessig er erfaringene gode med slikt maskineri, men virkningsgrad og bunkerforbruk er ugunstig.

Ønsket om å kunne benytte et mest mulig brennstoff økonomisk fremdriftsmaskineri i LNG-skip har fokusert interessen på langsomtgående ("large-bore") dieselmotorer.

Disse oppviser meget gode termiske virkningsgrader, samtidig som de er i stand til å brenne dårlige (billige) bunkerkvaliteter. I forbindelse med disponeringen av av-

kok fra kryogene væsker fra skipets lastetanker fremstår dieselmotoralternativet rent umiddelbart som meget attrak-f-.

tivt. I utgangspunktet ville det åpenbart være fordelaktig om det fantes en tostoffs-dieselmotor som kunne brenne gass/ tungolje i hvilket som helst forhold og med samme høye virkningsgrader over hele det aktuelle driftsspektrum. En slik mulighet ville være særlig attraktiv for eksisterende skip der avkokt gassmengde er høy, og følgelig bruk av kondenser-ingsanlegg ville falle uforholdsmessig dyrt.

Det er i dag tilgjengelig rene gassmotorer for lavere og middels ytelsesområder, dvs. opp til noen tusen kW. Det eksisterer også en marin installasjon med en langsomtgående tostof f s-dieselmotor på ca. 15'.'000 kW ytelse.

Felles for disse motortyper er at gassen slippes inn i forbrenningsrommene eller sylinderne med moderat trykk umiddelbart etter at kompresjonsslaget påbegynnes. Gass/ luftblandingen antennes av tennplugger eller "pilot"-brensel, dvs. at en mindre mengde dieselolje sprøytes inn i det øyeblikk forbrenning ønskes. Derved får man en tilnærmet momentan forbrenning med tilhørende stor trykkstigning (Otto-prosess). Følgen herav er at gassmengden må begrenses, noe som igjen vil medføre reduksjon av virkningsgrad; ;og be-grenset evne til å brenne gass. For den nevnte langsomtgående kjente dieselmotor må gassdelen holdes under ca. 55% av totalt brennstoffbehov ved full ytelse. Dette medfører i g fren at det for større skip med stort avkok ikke finnes egnede tostoffs-motorer som kan brenne all avkokt gass med tilstrekkelig margin og den ønskede gunstige virkningsgrad.

Det foreligger således et behov for en tostoffs-dieselmotor som dels kan gå på ren tungolje, dels på en høy andel av gass, uten at utillatelige trykkstigninger oppstår under forbrenningen. Ifølge oppfinnelsen kan man utnytte avkok i en tostoffs-dieselmotor med slike betingelser dersom den avkokte gass tilføres kontrollert til forbrenningsrommet under selve forbrenningen, slik at trykkstigningen begrenses, dvs. at man får en i hvert fall tilnærmet diesel-prosess.

Ifølge oppfinnelsen er det derfor tilveiebragt en fremgangsmåte ved utnyttelse av avkok fra kryogene væsker som brennstoff i en tostoffs-dieselmotor ombord i et skip, hvilken fremgangsmåte er. kjennetegnet ved at den avkokte gass komprimeres til høytrykk og tilføres motorens forbrenningsrom under forbrenningen med i samsvar med forbrenningstrykket styrt , høytrykksinjeksjon. Fordelaktig styres høytrykksinjeksjonen elektronisk eller elektronisk/hydraulisk.

Den nødvendige teknologi for gjennomføring av fremgangsmåten er i og for seg kjent, idet det har vært og

jf

fortsatt blir drevet eksperimenter med elektronisk styrte brennstoff ventiler for olje. Det er også tilgjengelig på markedet dieselmotorer for spesielle formål med elektronisk styrt til-førsel av flytende brensel. Mens imidlertid kamdrevne brennstoff-pumper kan konstrueres slik at flytende brennstoff vil sprøytes inn i sylinderene i tilnærmet ønsket takt med forbrenningens forløp, kan en slik løsning ikke uten videre anvendes for én komprimerbar substans som gass er. For begge typer brensel gjelder at elektronisk styring av tilførselen gir de beste muligheter for å tilpasse innsprøytningen på et gunstig vis

etter hvert som forbrenningen skrider frem.

Med oppfinnelsen er det også tilveiébragt et system for tilføring av avkok fra en kryogen væske som brennstoff til en tostoffs-dieselmotor ombord i et skip, hvilket system er kjennetegnet ved at det innbefatter en gasskompressor hvis suges ide er tilknyttet lagertanken som inneholder den kryogene Væske, et bufferlager som mottar komprimert gass fra kompressoren, og en ledning'fra bufferlageret til en gassinjeksjons-ventil i. motoren, samt en styreanordning for åpning og lukking av gassinjeksjonsventilen i samsvar med øyeblikkstrykket i tilhørende motor-forbrenningsrom. I praksis vil man kunne utnytte en prosessregnemaskin for administrering av de viktigste styreimpulser som vil være øyeblikkstrykket i sylinderen, turtall, ønsket ytelse og veivstilling.

Særlig fordelaktig er et system hvor gasskompressoren og bufferlageret anordnes i skipets lastetankområde, idet man derved reduserer sikkerhetsbelastningen i skipets maskinrom.

Den anvendte tostoffs-dieselmotor vil ha to brennstoff- tilførselssystemer i hver sylinder, og hvert av disse utføres for 100% ytelse. Når motoren går på gass, må. gassen tennes f.eks. ved hjelp av pilotbrennstoff, men tennplugger kan også benyttes. Olje/gass kan brennes i vilkårlig forhold,

og det vil normalt være fordelaktig å anordne innbyrdes regu-lering slik at all tilgjengelig gass brennes til en hver tid og flytende brennstoff skytes til i nødvendig grad. Er yt-elsesbehovet så lavt at det vil foreligge et overskudd på

gass., kan overskuddet fordelaktig lagres ved trykkstigning i

lasttanken eller lastetankene. Kuletanker er i denne forbindelse særlig god egnet, fordi de kan ta en viss trykkstigning. Denne evnen utnyttes best dersom en mindre gassmengde kan tappes av kontinuerlig, for å unngå rask trykkstigning av ikke-kondenserbar '.gass (nitrogen) . Det vil således være fordelaktig å anordne et høytrykkslager i tilknytning til bufferlageret, eksempelvis i form av et flaskebatteri. Bufferlageret kan da utgjøres av en av tankene i batteriet. Innenfor økonomisk og praktiske rammer kan dessuten kapa-siteten av tankbatteriet velges slik at hele avkoket kan akkumuleres over flere døgn. Når gassen skal benyttes,

ledes den til et passende trinn i kompressoren, som da

utføres som en fler-trinns kompressor, hvilket i og for

seg er en gunstig løsning, idet kompressortrinnet velges avhengig av trykket til en hver tid.

En annen måte. å bli kvitt avkok på, f. eks. ved landligge, kan være å frikople dieselmotoren fra propellen,

og kople til en vannbrems. Det kan forøvrig også være aktuelt å benytte en akselgenerator, idet man derved kan dekke nødvend-ig strømbehov ved hjelp av særlig effektivt maskineri. I

havn kan propellen frikoples. Dieselmotoren må da gå på partialbelastning, men når brennstoffet i hovedsaken er gass, vil forkoksnings- og andre typiske problemer kunne holdes bedre i sjakk.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under hen-visning til tegningene, hvor

fig. 1 viser et skjematisk anlegg ifølge oppfinnelsen,, og

fig. 2 og 3 viser modifiserte kompressor- og lager-anlegg ifølce oppfinnelsen.

I fig. 1 er et skips lastetank (kuletank) betegnet med 1. Avkok tas ut øverst i tanken og føres gjennom en ledning 14 til en kompressor 2 som drives av en elektromotor 3. Fra kompressorens 2 trykkside går det en ledning 15 til en etterkjøler 4 og derfra går det en ledning 16 til et bufferlager 5. Bufferlageret har sikkerhetsventiler 6. Fra bufferlageret 5 går det en gassledning 7 til en gassinjeksjons-

ventil 12 som er tilknyttet den viste dieselmotorsylinder 9

og som åpnes og lukkes ved hjelp av en bare skjematisk an-tydet styreanordning 13 som påvirkes av øyeblikkstrykket i sylinderrommet 17, turtallet, ønsket ytelse og veivstilling.

Sylinderen 9 har videre en brennstoffventil 10 for vanlig dieselbrennstoff, tilknyttet en brennstoffpumpe 11.

Som vist går ledningen 7 fra bufferlageret 5 gjennom et beskyttende rør 8 inne i maskinrommet, i samsvar med de krav som stilles til gassledninger i maskinrommet ombord i skip. Kompressoren 2 og bufferlageret 5 er som vist anordnet i lastetanksområdet, hvilket reduserer sikkerhetsbelastningen i maskinrommet.

Kompressoren kan fordelaktig være en flertrinns kompressor med mellomkjøling, og komprimerer avkokt gass fra lastetanken 1 til et passe trykk, i størrelsesordenen 200 bar. Et trykk ved ventilen 12 i denne størrelsesordenen er gunstig fordi man da alltid vil ha tilstrekkelig margin til høyeste forbrenningstrykk.

Med det i fig. 1 viste høytrykks-gassinjeksjons-system kan man gjennomføre fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, med styrt høytrykks-gassinjeksjon individuelt for hver motor-sylinder.

Fig. 2 og 3 viser modifiserte kompressor- og lager-anlegg, hvor det for komponenter svarende til de i fig. 1 viste, er benyttet samme henvisningstall.

Anlegget i fig. 2 er et noe mer sofistikert kompressor-og lagerarrangement. Det benyttes .3-trinns kompresjon med kompressorene 21, 22 og 23. Det benyttes lagertanker som kan opereres på trykknivåer melom null og opp til kompressorens maksimale leveringstrykk. Tilsvarende arrangement er åpenbart tenkelig for flere eller færre (min. 2) kompressortrinn.

I fig. 2 er en varmeveksler 19 innskutt foran kompressorene. Denne varmeveksler benyttes for eventuell opp-varming av gasser for kompresjon.. Det finnes nemlig kompress-ortyper som ikke kan ta alt for kald gass.

Mellomkjølere er betegnet med 24 og 25. Nødvendige ventiler er betegnet med 20, 26, 27, 28, 29, 30 og 31, i til- 1. legg til ventilene 6.

De viste tanker 3 2 og 33 kan være enkle tanker eller grupper av tanker. Hensikten med arrangementet i fig. 2 er å oppnå en best mulig utnyttelse av tankens lagerkapasitet (for akkumulasjon av avkok når behovet til maskineriet er lite) / samt en minimering av kompressorarbeidet. For å ha størst mulig beredskapkapasitet for lagring av avkok, må trykket i tankene 32, 33 være lavest mulig i utgangspunktet. Avkok-gass trykkes via første kompressortrinn 21, kjøler 24 og ventil 27 til lagertankene. Det gjøres her oppmerksom på at stenge-ventiler som måtte være påkrevet ved inn- og utløp av de for-skjellige kompressortrinn ikke er vist. Når mottrykket er blitt for stort, aktiveres også neste trinn ved at ventil 27 stenges og ventil 28 åpnes osv.

Når gass skal brukes i maskineriet, kan det hende

at trykket i lagertankene er så høyt at kompresjon ikke be-høves. I en periode ledes da gassen via ventil 29 og rør-ledning 34 etc, til maskinrommet. Blir trykket for lavt, ledes gassen i første omgang til siste kompressortrinn 23

via ventil 28, og etter behov tas et stigende antall av trinn-ene i bruk. Arrangementet gir også mulighet for å lagre en del av gassen og bruke resten i maskineriet ved at overskytende gass tappes av ved passende mellomtrinn eller etter siste trinn, avhengig av øyeblikkstrykket i lageret.

Det skal også nevnes at et mer detaljert studium

vil gi svar på optimalt antall kompressortrinn og designtrykk for lagertankene. Det er ikke sikkert det lønner seg å di-mensjonere disse for maks. trykk fra siste kompressortrinn.

Fig. 3 viser et arrangement der lagertankene 35

er delt opp slik at flere trykktrinn kan benyttes samtidig for lagring. Forøvrig er det benyttet henvisningtall som i fig. 2.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte ved utnyttelse av avkok fra kryogene væsker som brennstoff i en tostoffs-dieselmotor ombord i et skip, karakterisert ved at den avkokte gass komprimeres til høytrykk og tilføres motorens forbrenningsrom under forbrenningen med i samsvar med forbrenningstrykket, ønsket turtall og ytelse styrt høytrykksinjeksjon.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at høytrykksinjeksjonen styres elektronisk.

3. System for tilføring av avkok fra en kryogen væske som brennstoff til en tostoffs-dieselmotor ombord i et skip, karakterisert ved at det innbefatter en gasskompressor (2) hvis sugéside er tilknyttet lagertanken (1) som inneholder den kryogene væske, et bufferlager (5) som mottat komprimert gass fra kompressoren (2), og en ledning (7) fra bufferlageret (5) til en gassinjeksjons-ventil (12) i motoren, samt.en styreanordning (13) for åpning og lukking av gassinjeksjonsventilen (12) i samsvar med øyeblikkstrykket i tilhørende motor-forbrenningsrom.

4. System ifølge krav 3, karakterisert ved at gasskompressoren (2) og bufferlageret (5) er anordnet i skipets lastetankområde.