CN106369273B - 利用主机尾气余热气化lng的淡水温度控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用主机尾气余热气化LNG的淡水温度控制***及方法,***包括冷水管路、热水管路、由电机驱动的三通阀、进水管路、LNG加热器、出水管路、尾气管路和控制器;冷水管与出水管、三通阀连接;热水管路与出水管路、三通阀连接,热水管路上设置有尾气加热器和电加热器;进水管路与三通阀、LNG加热器连接,进水管路上并联安装有两个淡水泵和温度传感器;LNG加热器与LNG管路连接连接;尾气管路与主机尾气管路连接;控制器分别与电加热器、电机、两个淡水泵、温度传感器连接。本发明利用高温废气加热低温淡水,再由水泵将高温淡水输送到LNG气化加热器,使LNG吸热气化,具有节能减排,充分利用废气余热的环保功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种LNG气化温度控制***,具体涉及一种利用主机尾气余热气化LNG的淡水温度控制***及方法。
背景技术
随着科学技术的飞速发展,和对环境保护要求的提高,LNG船舶的研发和使用在船舶行业取得了巨大的进步。但在气温较低时,高压下的液化LNG难以完全气化,导致其与空气混合不均匀而燃烧不充分,使油耗增大。尤其在高寒地区,情况严重时,柴油机甚至无法维持正常运转。因此,考虑到船舶航行时地域跨度大,温差变化明显,我们要更加关注LNG的气化程度。而合理控制LNG的温度,是使液态LNG气化的关键。
为使LNG充分气化,通常采用以下三种方法:1、降低压力;2、向LNG中加入添加剂;3、利用电加热器或蒸汽加热。第一种方法,虽然可以使LNG充分气化,但是很容易受温度的影响,当温度变化幅度较大时,降压既不足以使LNG充分气化,反而过低的压力不利于LNG和空气的充分混合。第二种方法,虽然可以增大LNG的气化程度,但加入的添加剂会降低LNG所占比例,导致LNG燃烧不充分,同时在温度过低的情况下,加入添加剂仍不足以使LNG充分气化。第三种方法,虽然可以有效解决LNG充分气化的问题,但是需要消耗额外的电能和煤,浪费资源。
发明内容
为了解决现有LNG船舶在航行中要不断的利用电加热器使液态LNG气化而造成的能源浪费的问题,本发明的目的在于提供一种利用主机尾气余热气化LNG的淡水温度控制***及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种利用主机尾气余热气化LNG的淡水温度控制***,该***设置在用于连接LNG储液瓶与气体混合瓶的LNG管路的外周,用于将液态LNG气化使其与空气混合后一起供应给主机,所述***包括冷水管路、热水管路、由电机驱动的三通阀、进水管路、LNG加热器、出水管路、尾气管路和控制器;
所述冷水管路的一端与出水管路连接,其另一端与三通阀的第一端口连接;所述热水管路的一端与出水管路连接,其另一端与三通阀的第二端口连接,所述热水管路上设置有 尾气加热器和电加热器;所述进水管路的一端与三通阀的第三端口连接,其另一端与LNG加热器的进水口连接,所述进水管路上并联安装有第一淡水泵和第二淡水泵,所述进水管路的出口处安装有温度传感器;所述LNG加热器的一侧设有进水口和出气口,其另一侧设有进液口和出水口,所述LNG加热器的出水口与出水管路连接,所述LNG加热器的进液口与液态LNG管路连接,所述LNG加热器的出气口与气态LNG管路连接;所述尾气管路的一端连接主机尾气管路,其另一端与尾气加热器的进气口连接,所述尾气加热器的出气口连接一废气排放管路;所述控制器分别与电加热器、电机、第一淡水泵、第二淡水泵、温度传感器连接;
主机启动前,控制器通过电机控制三通阀处于正向最大位置,即连通热水管路和进水管路、关闭冷水管路和进水管路,然后控制电加热器和第一淡水泵工作,控制器根据温度传感器检测的进水管路内的水温T0判断主机能否启动,若水温T0达到最低工作水温T1时,主机启动,主机尾气和电加热器一起加热流经热水管道的水,若水温T0高于最高工作水温T2时,通过三通阀的开度大小判断调节三通阀的开度或关闭电加热器,若水温T0低于最低工作水温T1,启动第二淡水泵。
按上述技术方案,所述LNG加热器和尾气加热器均为板式换热器。
按上述技术方案,所述第一淡水泵、第二淡水泵均为具有自吸能力的IRG型立式单级管道热水离心泵。
一种基于上述***的淡水温度控制方法,包括以下步骤:
S1、***开启,控制器初始化,控制器通过电机控制三通阀处于正向最大位置;
S2、控制器控制第一淡水泵和电加热器工作设定时间t1,并根据温度传感器检测的进水管路内的水温T0判断主机能否启动,若水温T0在设定时间t1内达到最低工作水温T1时,则输出主机燃料***准备完毕信号,启动主机;
S3、主机运行设定时间t2后,温度传感器检测水温T0:
S301、若水温T0高于最高报警温度T4,则控制器发出报警信号,并发出主机故障停车信号;
S302、若水温T0高于最高工作温度T2,则控制器检测三通阀的正向开度是否大于50%;
若三通阀的正向开度小于50%,则检测电加热器是否工作,若电加热器工作,则关闭电加热器,若电加热器未工作,则检测第二淡水泵是否工作,若第二淡水泵工作,则关闭第二淡水泵,若第二淡水泵未工作,则发出***报警信号,发出报警;
若三通阀的正向开度大于50%,则将三通阀反向开大10%,即开打冷水管路,运行设定 时间t3后,检测水温T0,若高于最高工作温度T2,则重复步骤S3;
S303、若水温T0位于最低工作水温T1和最高工作水温T2之间,则***处于动态平衡状态;
S304、若水温T0低于最低工作水温T1,则检测三通阀是否正向开度旋至最大,若未旋至最大,则将三通阀正向旋转10%,运行设定时间t3,若三通阀已旋至正向最大,则进行步骤S305;
S305、若水温T0低于最低工作水温T1高于设定最低限制温度T3,则控制器控制第二淡水泵工作,第二淡水泵运行设定时间t4后,温度传感器检测水温T0;
若水温T0高于最高工作温度T2,则重复步骤S3;
若水温T0位于最低工作水温T1和最高工作水温T2之间,则***处于动态平衡状态;
若水温T0依然低于最低工作水温T1高于设定最低限制温度T3时,则控制器控制电加热器工作,若水温T0在设定时间t4内高于最低工作水温T1,则进行步骤S3,否则发出水温低温报警;
S306、若水温T0低于最低限制温度T3,则发出水温低温报警。
本发明,具有以下有益效果:本发明充分利用主机尾气余热结合电加热器对低温淡水进行加热,加热后的高温淡水与液态LNG进行换热使其气化,换热后的低温淡水可循环使用,具有节能减排,充分利用废气余热的环保功能。本发明还通过控制器和温度传感器对水温进行比理解分定值控制,既可以自动控制,也可以切换至手动控制,节能效果明显,例如当100%流量时,功率为50kw;当75%-85%流量时,功率为22kw;当40%-60%流量时,功率为4kw,使用有级调节后,淡水泵的温升明显降低,减少了机械磨损和维修工作。本发明还可将控制器与上位机进行通信,便于全船动力装置集中控制和监视。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明中LNG双燃料***的结构示意图;
图2是本发明中淡水温度控制***的原理图;
图3是本发明中淡水温度控制方法的流程图。
图1中:1-LNG储液瓶、2-气体截止阀、3-淡水温度控制***、4-截止阀、5-LNG温度传感器、6-气体减压阀、7-气体单向阀、8-压力传感器、9-LNG管路、10-气体混合瓶、11-主机;
图2中:301-第一淡水泵、302-温度传感器、303-第二淡水泵、304-三通阀、305-电机、306-尾气管路、307-出水管路、308-冷水管路、309-热水管路、310-进水管路、311-电加热器、312-尾气加热器、313-LNG加热器、314-控制器、316-废气排放管路、901-液态LNG管路、902-气态LNG管路。
具体实施方式
为了使本发明目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,LNG双燃料***包括通过LNG管路9依次连接的LNG储液瓶1、气体混合瓶10和主机11,LNG管路9上位于LNG储液瓶1和气体混合瓶10之间从左至右依次设置有气体截止阀2、LNG温度传感器5、压力传感器8、气体减压阀6、气体单向阀7、气体减压阀6和压力传感器8,LNG管路9上位于气体混合瓶10和主机11之间从左往右依次设置有气体截止阀2和压力传感器8。LNG管路9包括图2所示的液态LNG管路901和气态LNG管路902。LNG温度传感器、压力传感器用于测量经过LNG加热器的气态LNG的温度和压力并显示在面板上。气体减压阀用于降低LNG气体,将LNG气体压力控制在设定值。气体单向阀用于避免高压气体回流。气体混合瓶用于混合LNG气体和空气,便于燃烧。
图1所示,一种利用主机尾气余热气化LNG的淡水温度控制***,该淡水温度控制***3设置在用于连接LNG储液瓶1与气体混合瓶10的LNG管路9的外周,用于将液态LNG气化使其与空气混合后一起供应给主机11,淡水温度控制***的进水管路上安装有截止阀4,如图2所示,淡水温度控制***3包括冷水管路308、热水管路309、由电机305驱动的三通阀304、进水管路310、LNG加热器313、出水管路307、尾气管路306和控制器314;
冷水管路308的一端与出水管路307连接,其另一端与三通阀304的第一端口连接;热水管路309的一端与出水管路307连接,其另一端与三通阀304的第二端口连接,热水管路309上设置有尾气加热器312和电加热器311;进水管路310的一端与三通阀304的第三端口连接,其另一端与LNG加热器313的进水口连接,进水管路310上并联安装有第一淡水泵301和第二淡水泵303,进水管路310的出口处安装有温度传感器302;LNG加热器313的一侧设有进水口和出气口,其另一侧设有进液口和出水口,LNG加热器313的出水口与出水管路307连接,LNG加热器313的进液口与液态LNG管路901连接,LNG加热器313的出气口与气态LNG管路902连接;尾气管路306的一端连接主机尾气管路,其另一端与尾气加热器312的进气口连接,尾气加热器312的出气口连接一废气排放管路316;控制器314分别与电加热器311、电机305、第一淡水泵301、第二淡水泵303、温度传感 器302连接;
主机11启动前,控制器314通过电机305控制三通阀304处于正向最大位置,即连通热水管路309和进水管路310、关闭冷水管路308和进水管路310,然后控制电加热器311和第一淡水泵301工作,控制器314根据温度传感器302检测的进水管路310内的水温T0判断主机11能否启动,若水温T0达到最低工作水温T1时,主机11启动,主机尾气和电加热器一起加热流经热水管道的水,若水温T0高于最高工作水温T2时,通过三通阀的开度大小判断调节三通阀的开度或关闭电加热器,若水温T0低于最低工作水温T1,启动第二淡水泵。
在本发明的优选实施例中,如图2所示,LNG加热器313和尾气加热器312均为板式换热器。LNG板式换热器为BB ZL系列丹尼尔板式换热器,每一板片上有两种不同的波纹角度,可获得六种流道组合,使所选型号在传热性能、压力降及经济性之间获得最佳匹配。尾气板式换热器,每一板片上有两种不同的波纹角度,可获得六种流道组合,使所选型号在传热性能、压力降及经济性之间获得最佳匹配。LNG加热器和尾气加热器都是以板式换热器的形式经行换热,在柴油机启动之初,排气温度不足时,启用电加热器进行辅助加热以使LNG能够完全汽化,且LNG输送管道始终处于高压状态下。本实施例中采用的板式换热器可选用平行板式换热器,由于型板的特殊形状,板片间的流道方向和截面不断发生变化,流体在通道中形成强烈的扰动,使热边界层不断地被破坏,从而有效地降低热阻,提高传热系数。
在本发明的优选实施例中,如图2所示,第一淡水泵、第二淡水泵均为具有自吸能力的IRG型立式单级管道热水离心泵。两个淡水泵受控制器自动控制,低负荷时仅用一台淡水泵向LNG加热器提供淡水,当负荷增加且三通阀的开度已开得足够大而仍不能满足负荷要求时,则并入另一台淡水泵以加大流量。此时两台淡水泵分别以50%的负荷就能够达到冷却***的最大淡水流量(100%)的负荷要求。由流体力学可知,轴功率P与转速n的三次方成正比,因此,当水量减少,水泵转速下降时,功率要降低很多,故可达到明显的节能效果。
在本发明的优选实施例中,如图2所示,温度传感器为PT00,属于热电阻式温度传感器。这种传感器是利用金属材料电阻值随温度的升高而增大,安装于淡水管道之中。PT100传感器的检测元件直接***淡水中,不用壳体保护,以避免热电阻与壳体之间的空气影响传热速度。为防止更换或检修传感器时介质外逸,采用了特殊的弹簧囊结构,且这种传感器的热惯性很小,能即时感受温度的变化。
在本发明的优选实施例中,如图2所示,控制器为ENGARD控制器,该控制器采用8032单片机,具有比例积分控制规律的全自动控制功能,由印刷电电路板、固态继电器、电源滤波器、变压器和接线端子排等组成,印刷电路板上有8位微分处理器、存储器及输入输出借口。控制器对淡水温度进行比例积分(PI)定值控制,既可以自动控制,必要时经转换也可以手动控制。控制器根据温度信号控制伺服电机动作以改变三通阀的开度。ENGARD控制器具有以下优点:节能效果明显,例如当100%流量时,功率为50kw;当75%-85%流量时,功率为22kw;当40%-60%流量时,功率为4kw;使用有级调节后,水泵电机温升明显下降,同时减少了机械磨损和维修工作;保护功能可靠,消除电机因过载或单相运行造成的烧坏电机的现象;具有完善的自检、控制、显示、多种故障报警等功能,提高了***的可靠性。淡水泵与三通阀通过控制器的相关参数进行控制,具有很强的适应性和灵活性。
在本发明的优选实施例中,如图2所示,三通阀为ZDLQ(X)电子式电动三通阀,电动三通调节阀由3810L系列电子式执行机构与三通调节阀组成。内含饲服功能,接受统一的4-20MA或I-5V·DC的标准信号,将电流信号转变成相对应的直线位移,自动的控制调节阀开度,达到对管道内流体的温度。三通阀的电机由控制器自动控制,当负荷增加时,ENGARD控制单元自动控制电机启动以减小三通调节阀的开度并减少旁通量,从而可以增大流经尾气加热器的淡水流量。
在本发明的优选实施例中,如图2所示,电加热器为DDR U F(50)-380/80-ex电加热器,管状电加热器,加热管形状,结构形式:法兰连接,法兰通径为50mm,额定电压为380V,额定功率为80kw的防爆电加热器。电加热器在仅在两种情况下会启用,一是刚启动柴油机时,排气温度不足,为使LNG充分汽化,应启用电加热加热淡水;二是在负荷过大导致30分钟内淡水温度始终无法达到设定温度时,启用电加热器。
本发明中,淡水可以循环使用。LNG加热器利用淡水加热液态LNG使其充分气化。电加热器用于在主机启动的初始阶段,当尾气热量不足时,进行辅助加热。温度传感器位于LNG加热器的进口,用于检测进入LNG加热器的淡水温度。电机用于改变三通阀的开度,控制流经尾气加热器的淡水的流量。尾气加热器用于将尾气的热量传递给淡水,换热后的废气经废气排放管路排出。
一种基于上述***的淡水温度控制方法,包括以下步骤:
S1、***开启,控制器初始化,控制器通过电机控制三通阀处于正向最大位置,具体的,控制器检测判断三通阀是否处于正向最大位置(注:正向最大即为三通阀热水管路开至最大,冷水管路关闭),如果不是则控制三通阀开启至正向最大;
S2、控制器控制计时器开始计时,控制第一淡水泵和电加热器工作设定时间t1,并根据温度传感器检测的进水管路内的水温T0判断主机能否启动,若水温T0在设定时间t1内达到最低工作水温T1时,则输出主机燃料***准备完毕信号,启动主机,若在设定时间t1内未达到设定水温,则发出电加热器故障报警;
S3、主机启动时,控制器输出计时器计时信号t2,延时设定时间t2,主机运行设定时间t2后,温度传感器检测水温T0:
S301、若水温T0高于最高报警温度T4,则控制器发出报警信号,并发出主机故障停车信号;
S302、若水温T0高于最高工作温度T2,则控制器检测三通阀的正向开度是否大于50%;
若三通阀的正向开度小于50%,则检测电加热器是否工作,若电加热器工作,则输出电加热器关闭信号,关闭电加热器,若电加热器未工作,则检测第二淡水泵是否工作,若第二淡水泵工作,则输出第二淡水泵关闭信号,关闭第二淡水泵,若第二淡水泵未工作,则发出***报警信号,发出报警;
若三通阀的正向开度大于50%,则将三通阀反向(注:反向即开打冷水管路)开大10%,即开打冷水管路,控制器输出启动计时器计时信号t3,运行设定时间t3后,检测水温T0,若高于最高工作温度T2,则重复步骤S3;
S303、若水温T0位于最低工作水温T1和最高工作水温T2之间,即T2≧T0≧T1时,则***处于动态平衡状态,温度传感器保持水温检测,并将信息输入控制器;
S304、若水温T0低于最低工作水温T1,则检测三通阀是否正向开度旋至最大,若未旋至最大,则将三通阀正向旋转10%,控制器启动计时器,延时t3,运行设定时间t3,若三通阀已旋至正向最大,则进行步骤S305;
S305、若水温T0低于最低工作水温T1高于设定最低限制温度T3,即T1>T0≧T3,则控制器输出第二淡水泵工作信号,第二淡水泵工作,同时控制器控制计时器工作,延时t4,第二淡水泵运行设定时间t4后,温度传感器检测水温T0;
若水温T0高于最高工作温度T2,即T0>T2,则重复步骤S3;
若水温T0位于最低工作水温T1和最高工作水温T2之间,即T2≧T0≧T1,则***处于动态平衡状态;
若水温T0依然低于最低工作水温T1高于设定最低限制温度T3时,则控制器开启计时器,设定限制时间t4,控制电加热器工作,若水温T0在设定时间t4内高于最低工作水温T1,则进行步骤S3,否则发出水温低温报警;
S306、若水温T0低于最低限制温度T3,则发出水温低温报警。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种利用主机尾气余热气化LNG的淡水温度控制***,该***设置在用于连接LNG储液瓶与气体混合瓶的LNG管路的外周,用于将液态LNG气化使其与空气混合后一起供应给主机,其特征在于,所述***包括冷水管路、热水管路、由电机驱动的三通阀、进水管路、LNG加热器、出水管路、尾气管路和控制器;
所述冷水管路的一端与出水管路连接,其另一端与三通阀的第一端口连接;所述热水管路的一端与出水管路连接,其另一端与三通阀的第二端口连接,所述热水管路上设置有尾气加热器和电加热器;所述进水管路的一端与三通阀的第三端口连接,其另一端与LNG加热器的进水口连接,所述进水管路上并联安装有第一淡水泵和第二淡水泵,所述进水管路的出口处安装有温度传感器;所述LNG加热器的一侧设有进水口和出气口,其另一侧设有进液口和出水口,所述LNG加热器的出水口与出水管路连接,所述LNG加热器的进液口与液态LNG管路连接,所述LNG加热器的出气口与气态LNG管路连接;所述尾气管路的一端连接主机尾气管路,其另一端与尾气加热器的进气口连接,所述尾气加热器的出气口连接一废气排放管路;所述控制器分别与电加热器、电机、第一淡水泵、第二淡水泵、温度传感器连接;
主机启动前,控制器通过电机控制三通阀处于正向最大位置,即连通热水管路和进水管路、关闭冷水管路和进水管路,然后控制电加热器和第一淡水泵工作,控制器根据温度传感器检测的进水管路内的水温T0判断主机能否启动,若水温T0达到最低工作水温T1时,主机启动,主机尾气和电加热器一起加热流经热水管道的水,若水温T0高于最高工作水温T2时,通过三通阀的开度大小判断调节三通阀的开度或关闭电加热器,若水温T0低于最低工作水温T1,启动第二淡水泵。
2.根据权利要求1所述的***,其特征在于,所述LNG加热器和尾气加热器均为板式换热器。
3.根据权利要求1所述的***,其特征在于,所述第一淡水泵、第二淡水泵均为具有自吸能力的IRG型立式单级管道热水离心泵。
4.一种基于以上任一权利要求所述***的淡水温度控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、***开启,控制器初始化,控制器通过电机控制三通阀处于正向最大位置;
S2、控制器控制第一淡水泵和电加热器工作设定时间t1,并根据温度传感器检测的进水管路内的水温T0判断主机能否启动,若水温T0在设定时间t1内达到最低工作水温T1时,则输出主机燃料***准备完毕信号,启动主机;
S3、主机运行设定时间t2后,温度传感器检测水温T0:
S301、若水温T0高于最高报警温度T4,则控制器发出报警信号,并发出主机故障停车信号;
S302、若水温T0高于最高工作温度T2,则控制器检测三通阀的正向开度是否大于50%;
若三通阀的正向开度小于50%,则检测电加热器是否工作,若电加热器工作,则关闭电加热器,若电加热器未工作,则检测第二淡水泵是否工作,若第二淡水泵工作,则关闭第二淡水泵,若第二淡水泵未工作,则发出***报警信号,发出报警;
若三通阀的正向开度大于50%,则将三通阀反向开大10%,即开打冷水管路,运行设定时间t3后,检测水温T0,若高于最高工作温度T2,则重复步骤S3;
S303、若水温T0位于最低工作水温T1和最高工作水温T2之间,则***处于动态平衡状态;
S304、若水温T0低于最低工作水温T1,则检测三通阀是否正向开度旋至最大,若未旋至最大,则将三通阀正向旋转10%,运行设定时间t3,若三通阀已旋至正向最大,则进行步骤S305;
S305、若水温T0低于最低工作水温T1高于设定最低限制温度T3,则控制器控制第二淡水泵工作,第二淡水泵运行设定时间t4后,温度传感器检测水温T0;
若水温T0高于最高工作温度T2,则重复步骤S3;
若水温T0位于最低工作水温T1和最高工作水温T2之间,则***处于动态平衡状态;
若水温T0依然低于最低工作水温T1高于设定最低限制温度T3时,则控制器控制电加热器工作,若水温T0在设定时间t4内高于最低工作水温T1,则进行步骤S3,否则发出水温低温报警;
S306、若水温T0低于最低限制温度T3,则发出水温低温报警。
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