NO823336L - Anordning ved tostoffs-dieselmotor og fremgangsmaater ved drift av tostoffs-dieselmotorer - Google Patents

Description

Oppfinnelsen er særlig utviklet i forbindelse med såkalte LNG-skip, dvs. skip som fører gass i flytendegjort 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, alternativt ved å benytte gassen som brennstoff for fremdrifts- og hj elpemaskineri'.

Når det gjelder bruk av avkok som brennstoff ombord i LNG-skip, har den mest benyttede løsning vært å brenne avkoket i forbindelse med dampturbinmaskineri, dvs, som tilléggsbrensel til skips-kjeier, som da også brenner tungolje. Driftsmessig er erfaringene gode med slikt maskineri, men virkningsgraden og bunkerforbruk er ugunstig.

Ønsket å å kunne benytte et mest mulig brennstofføkonomisk frem-driftsmaskineri 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 disponere ingen av avkok fra kryogene væsker fra skipets lastetanker frem-står dieselmotoralternativet rent umiddelbart som meget attrak-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 kondenseringsanlegg ville falle uforholdsmessig dyrt.

Det er i dag tilgjengelig rene gassmotorer for lavere og

middels ytelsesområder, dvs. opp til noen tusen kw. Det eksi-sterer også en marin installasjon med en langsomtgående tostoffs-dieselmotor på ca. 15.000 kw ytelse.

Felles for disse motortyper er at gassen slippes inn i forbrenn- ingsrommene 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 forbrenn-

ing ønskes. Dermed får man en tilnærmet momentan forbrenning med tilhørende stor trykkstigning (Otto-prosess). Følgen her-av er at gassmengden må begrenses, noe som igjen vil medføre reduksjon av virkningsgrad og begrenset 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 igjen 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 er allerede foreslått en tostoffs-dieselmotor som dels kan

gå på ren tungolje, dels på en høy andel av gass, uten at util-latelige trykkstigninger oppstår under forbrenningen. Avkok utnyttes i en tostoffs-dieselmotor med slike betingelser, idet 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.

Norsk patentsøknad nr. 812328 beskriver således en fremgangsmåte ved utnyttelse av avkok fra kryogene væsker som brennstoff i en tostoffs-dieselmotor ombord i et skip, hvor 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 denne fremgangs-måten er tilstede, idet det har vært og fortsatt blir drevet eksperimenter med elektronisk styrte brennstoffventiler for olje. Det er også tilgjengelig på markedet dieselmotorer for spesielle formål med elektronisk styrt tilførsel av flytende brensel. Mens imidlertid kamdrevne brennstoffpumper kan kon strueres slik at flytende brennstoff vil sprøytes inn i syl-inderene i tilnærmet ønsket takt med forbrenningens forløp,

kan en slik løsning ikke uten videre anvendes for en komprimer-bar 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.

I den nevnte norsk patentsøknad nr. 812328 beskrives også et system for tilføring av avkok fra en kryogen væske som brennstoff til en tostoffs-dieselmotor ombord i et skipm hvilket system inn-befatter en gasskompressor hvis sugeside er tilknyttet lager-tanken som inneholder den kryogoen væske, et bufferlager som mot-tar komprimert gass fra kompressoren, og en ledning fra bufferlageret til en gassinjeksjonsventil i motoren, samt en styre-anordning for åpning og lukking av gassinjeksjonsventilen i samsvar med øyeblikkstrykket i tilhørende motor-forbrenningsrom.

I praksis vil man kunne utnytte en prosessregnemaskin for admin-istrering av de viktigste styreimpulser som vil være øyeblikkstrykket i sylinderen, turtall, ønsket ytelse og veivstilling.

Den anvendte tostoffs-dieselmotor vil ha to brennstoff-tilførsels-systemer 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 regulering slik at all tilgjengelig gass brennes til en hver tid og flytende brennstoff skytes til i nødvendig grad. Er ytelsesbehovet så lavt at det vil foreligge et overskudd på gass, kan overskuddet fordelaktig lagres ved trykkstigning i lasttanken eller lasttankene. Kule-tanker er i denne forbindelse særlig godt 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 til-knytning til bufferlageret, eksempelvis i form av et flaske- batteri. Bufferlageret kan da utgjøres av en av tankene i batt-eriet. Innenfor økonomisk og praktiske rammer kan dessuten kapasiteten 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.

Ved en tostoffs-dieselmotor som foran omtalt som utnytter dieselolje og avkok fra en kryogen væske, med innføring av de to brennstoffer i motorens forbrenningsrom gjennom respektive ventiler, foreslås det ifølge oppfinnelsen å anordne en ventilstyrt ledningsforbindelse fra en inertgasskilde og til motorens gassventil, og en ventilstyrt ledningsforbindelse fra motorens gassventil og til atmosfæren. Som inertgass anvendes fortrinns-vis nitrogen.

Med oppfinnelsen oppnås flere fordeler. Gassventilen kan nå benyttes til mange direkte tilleggsfunksjoner ut over det å slippe brenngass inn i sylinderen under vanlig drift, som jo er dens hovedoppgave.

Ved drift kun på dieselolje kan en styrt, gassventilen avkjøl-ende mengde inertgass tilføres forbrenningsrommet gjennom gassventilen. Inertgassen slippes fordelaktig inn nær nedre død-punkt og vil ikke forstyrre motorens drift.

Når det oppstår et behov for rask tømming av gassen i ledningssystemet fra gassforrådet til gassventilen, åpnes gassventilen ved begynnelsen av motorens kompresjonsslag, med styrt til-føring av inertgass til ledningssysternet etter hvert som systemet tømmes og trykket synker. Hele ledningssystemet vil derved nøytraliseres (inertes) på en rask måte, og det er ikke nødvendig å benytte exhaustledninger fra ventilene.

Systemet kan også brukes til å tørne hovedmotoren ved å styre inertgass sekvensielt ved å passe trykk til de riktige sylindre, avhengig av stempelets stilling og ønsket dreieretning. Ved å

øke trykket, kan ventilene med styresystem også brukes som startanordning. For dette formål, kan det være gunstig å bruke for-håndenværende høytrykkskompressorer, og eventuelt erstatte inertgassen med luft. Den siste prosedyren krever spesielle rutiner og for riglinger for å hindre at luft og hydrokarbongasser blandes.

En annen mulig startprosedyre for bruk under gassdrift, dvs.

når tilførselssystem og ventiler står under trykk med brenngass er som følger: sylinderne vil være fyllt med luft ved varierende trykk, avhengig av stempelets stilling og hvor lenge stillstanden har vart. Ved å slippe på brenngass som tennes med f.eks. tennplugger, vil man kunne få til en øyeblikkelig forbrenning i en eller et fåtall passende sylindre slik at motoren kommer i gang.

Foran er følgende tillegsfunksjoner nevnt:

Effektiv kjøling av ventilene ved inertgassgjennomblåsning. Rask tømming og inerting gjennom gassventilene til motor- sylindrene.

Tørning av motor.

Start av motor ved høytrykksinertgass/luft.

Start med brenngass og tennkilde.

Det er meget lett å få til de nødvendige forandringer av styr-ingen av gassventilene for ovennevnte formål, idet man bare enkelt kan utvide prosessregnemaskinens programmer.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor:

Fj.g. 1 rent skjematisk viser et anlegg ifølge oppfinnelsen,

og

fig. 2 viser en modifisert utførelse av et anlegg ifølge oppfinnelsen.

j_ ueyye i-xyuj-tti ex metts uiiuiit; l. , uvs.diicinyeaientet ueii, vist til venstre, mens lastområdet er vist til høyre. Forskjellen mellom de to anleggene ligger hovedsakelig på maskinromsiden.

For de anleggskomponenter som er de samme i de to figurer er

det benyttet samme henvisningstall.

I fig. 1 er en lastetank (kuletank) ombord i et skip betegnet

med 1. Denne lastetank inneholder LNG. Avkok tas ut øverst i tanken og føres gjennom en ledning 2 til en fire-trinns-kompressor 3 hvor gassen komprimeres til et egnet trykk på

ca. 200 bar. Kompressoren drives av en ikke vist elektromotor. Etter tredje og f jerde.i trinn er det nødvendig med kjøling og

dette skjer i varmevekslerne 4.

I praksis vil det benyttes to kompressorer, som hver har

kapasitet til å ta hele avkokmengden. Kraftforbruket for komprimering av det normale avkok vil i et praktisk utførelses-eksempel være ca. 600 kW. Ved normal drift vil alt avkok føres til motoren, her representert ved motorsylinderne 5 og 6,

gjennom manifoldledningen 7. I motoren utnyttes således av-

koket som brennstoff. Den mengde avkok som leveres til motoren bestemmes av tanktrykket og vil være stort sett konstant, med små og langsomme endringer avhengig av værforholdene.

Endringer i kraftbehovet for skipets fremdrift vil bli styrt

ved hjelp av dieseloljen (det nødvendige dieselolje-tilførings-arrangement er ikke vist) bare ned til et kraftforbruk som svarer til minimum pilot-dieselolje for tenning (ca. 5-9%)

pluss avkoket. Når kraftbehovet synker under dette nivå, reduseres den leverte avkokmengde til motoren. Overskytende avkok går da til buffertankene 8. I et praktisk utførelses-eksempel i form av en LNG-tanker på 130.000 m<3>med 0,11%

avkok pr. 2 4 timer, vil 12 beholdere med en lengde på 6 meter og en innvendig diameter på 1,25 meter ha tilstrekkelig kapasitet til å oppta hele avkoket for 6 timer. Som et supple-ment til buffertankene 8 kan noe av det overskytende avkok lagres i de kuleformede lagertanker 1, idet man tillater en

mindre trykkoppbygningi disse. Man kan derfor uten videre ta vare på avkok over en periode godt over 6 timer uten å være avhengig av å benytte avkoket som brennstoff. Den aktuelle tidsperiode vil være avhengig av omgivelsene og av trykket i tankene 1. Antar man et tanktrykk på 1,03 bar, en omgivelses-temperatur på 25°C, rolig sjø og sikkerhetsventiler innstilt på 1,25 bar, så vil den nevnte kombinasjon av buffertanker og trykkøkning i lastetankene gi en lagerkapasitet tilstrekkelig til å ta vare på alt avkok over en periode på ca. 30 timer.

Kuletankene 1 vil ta vare på en hoveddel av lagerkapasiteten

for avkoket, men buffertankene 8 vil sikre en kontinuerlig avkoksstrøm fra tankene 1. Dette er nødvendig for å hindre en plutselig øking i tanktrykket, som vil oppstå dersom avkoket stenges av helt.

Den nevnte tidsperiode på 30 timer kan økes dersom man

benytter avkoket som brennstoff for hjelpemaskineri, såsom generatormotorer og inertgassanlegg. Avsikkerhetsgrunner foretrkkes det imidlertid å ikke ha mer enn en gassforbruker i maskinrommet. Lastetankene kan også konstrueres for et høyere trykk enn 1,25 bar.

Når kraftbehovet har vært lite en stund og så øker igjen, vil' trykket i buffertankene og/eller lagertankene reduseres ved en øking av gasstrømmen til det maksimalt mulige. Begge de nevnte kompressorer kan da kjøres parallelt.

Den normale avkoksmengde vil utgjøre ca. 60% av det totale brennstoff for hovedmaskineriet i skipets lastetilstand, og ca. 40% i ballasttilstanden. Disse tall baserer seg på

en 130.000 m<3>LNG-tanker med en masjhastighet på 18 knop.

Den tid som medgår for redusering av trykket i buffer- og lastetanker fra maskimalverdien og til atmosfæretrykket,

vil være ca. 46 timer under lastereisen og ca. 32 timer under ballastreisen. Disse tider kan reduseres dersom avkoket benyttes som brennstoff for hjelpemaskineri i tillegg til

anvendelsen i hovedmotoren.

Gassen i buffertankene 8 tilføres et kompressortrinn med et egnet trykk for derved å minimalisere kompressorarbeidet når det lagrede avkok benyttes som brennstoff.

I fig. 1 er det over maskintoppen anordnet en ventilert hette

9. Maskinrommet og lasteområdet er i fig. 1, og i fig. 2,

vist adskilt med et skott 10. Mellom skottet 10 og hetten 9

er gassledningen 7 utført med doble vegger, og en luftstrøm går i ringrommet mellom indre og ytre rør. Gasslekkasje vil oppdages i gassdetektoren 11 som er tilknyttet ventilatoren 12. Ventilatoren 12 trekker luft gjennom ledningen 13, som er en fortsettelse av den ledning i maskinrommet som omgir gassledningen 7. Fra hetten 9 går det dessuten en luftledning 14

til en ventilator 15 som også er tilknyttet en gassdetektor 16.

Gassledningen 7 vil ha et relativt lite tverrsnitt som følge

av det høye gasstrykk. Den totale mengde gass i systemet på nedstrømsiden av ventilblokken 17 vil i det forannevnte praktiske utførelseseksempel bare utgjøre 15 kg, hvilket svarer til ca. 20 m i atmosfæretrykk. Dette tilsvarer om-

trent 10 sekunders forbruk av avkok.

Som nevnt er arrangementet i fig. 2 i prinsippet utført på

samme måte som i fig. 1. Forskjellen er at i maskinrommet er hetten 9 erstattet med dobbeltvegget ledningsføring 18

helt ned til maskintoppen. En ventilator 19 er tilknyttet det dobbeltveggede rørsystem 18 gjennom en ledning 20 og trekker luft gjennom denne ledning. Eventuell gass oppdages i gassdetektoren 21.

Arrangementet i fig. 2 har den fordel at gass ikke som i fig. 1 kan slippe ut under hetten og gå inn i maskinrommet, men en ulemepe er at vedlikeholdet blir mer komplisert, fordi inn-sprøytningsventiler og ulike stengeventiler og instrumenter vil befinne seg inne i det ytre rør eller deksel.

I såvel fig. 1 som fig. 2 kan gassledningen 7 tilføres inert-

gass fra en inertgasskilde betegnet med N2, og det dreier seg altså vanligvis om nitrogen. Gassledningene kan således spyles med nitrogen, helt frem til innsprøytningsventilens ventilsete. Innsprøytningsventilene, dvs, gassventilene er i begge figurer betegnet med 22, 23 (for motorsylinderen 5), og 24, 25 (for motorsylinderen 6).

Der hvor de enkelte ledninger er åpne mot atmosfæren er ledning-ene forsynt med avbøyede ender som symboliserer utslipp til atmosfæren.

Virkemåten og anvendelsesmulighetene for de to arrangementer

i henholdsvis fig. 1 og 2 vil være åpenbare for en fagmann,

da det er benyttet internasjonalt anerkjente symboler i fig-urene. I det etterfølgende skal allikevel en del anvendelses-muligheter beskrives nærmere.

En kjøling av gassventilene vil særlig være påkrevet når ventilene ikke er i bruk, dvs. når motoren bare går på olje. Gassledningen 7 er da avstengt mot avkoksiden og nitrogen kan

da slippes inn gjennom ledningen 7 og inn i forbrennings-

rommene. For kjøling kreves i og for seg bare en liten mengde inertgass, som slippes inn gjennom ventilene hver gang stempelet er nær nedre dødpunkt. Ekspansjonen av inertgassen gjennom ventilen vil bevirke en effektiv kjøling av ventilen.

Gassledningssystemet kan nøytraliseres ved .gjennomspyling

med nitrogen. Ved avstenging av tilførselen fra bufferlageret 8 vil gassen i systemet kunne tømmes meget raskt, ved simpelten å slippe gassen inn i motorsylinderne. Dette gjøres fordel-

aktig ved å forandre innslipningstidspunktet til begynnelsen av kompressorslaget, da mottrykket er lite. Deretter opererer man i en transient fase som en vanlig tostoffs-motor. Etter hvert som systemet tømmes og trykket synker, åpnes for nitrogen-tilførselen. Hele systemet inerteres derved på en rask måte,

og det er ikke nødvendig å benytte exhaustledningen fra ventilene.

Ved å styre inertgass sekvensielt ved passe trykk til de riktige motorsylindre, avhengig av stempelets stilling og ønsket dreieretning, kan man også tørne motoren. Ved å øke trykket, kan ventilene med tilhørende ledningssystem også brukes som startanordning. Det kan her eventuelt være gunstig å bruke høytrykkskompressorer, og eventuelt erstatte inertgassen med luft. En slik, på tegningene ikke vist prosedyre, vil kreve spesielle rutiner og forriglinger for å hindre at luft og hydrokarbongass blandes.

En annen mulig startprosedyre for bruk under gasstrykk, dvs. når tilførselssystemet og ventilene står under trykk med gass er en prosedyre hvor sylindrene er fyllt med luft ved varierende trykk, avhengig av stempelets stilling og hvor lenge stillstanden har vart. Ved å slippe på gass som tennes med f.eks. tennplugger, vil man kunne få opptil en øyeblikkelig forbrenning i en eller et fåtall passende sylindre slik at motoren kommer i gang.

Bruk av to ventiler 22, 23 henholdsvis 24, 25 i de respektive motorsylindre 5, 6 er fordelaktig fordi man kan gå frem på

den måten at man slipper gass gjennom den ene ventilen og deretter gjennom den andre ventilen, dvs, at man først får en ønsket langsom innslipping, etterfulgt av en raskere.

En slik prosedyre vil være gunstig for forbrenningen.

Analysering av forbrenningsgass kan også skje på en gunstig måte derved at man tar ut gass i ønsket stempelstilling og i et lite moment, hvorved man får en øyeblikksanalyse i for-brenningsøyeblikket og ikke som ellers i avgassen.

I såvel fig. 1 og 2 er det bare vist en lastetank (kuletank)

lj men det tør være klart at denne naturligvis representerer samtlige lastetanker, idet det vanligvis vil forefinnes fire eller fem store lastetanker ombord i en LNG-tanker. En vesent-lig .fordel som man oppnår med oppfinnelsen er den sikkerhet som oppnås ved at man kan kjøle ventilene og fremfor alt gjennom-spyle ledningssystemet med inertgass mens motoren er i drift.

Claims (7)

1. Anordning ved tostoffs-dieselmotor som utnytter dieselolje og avkok fra en kryogen væske, med innføring av de to brennstoffer i motorens forbrenningsrom gjennom respektive ventiler, karakterisert ved en ventilstyrt ledningsforbindelse fra en inertgasskilde og til motorens gassventil, og en ventilstyrt ledningsforbindelse fra motorens gassventil og til atmosfæren.

2. Fremgangsmåte ved drift av tostoffs-dieselmotor som utnytter dieselolje og avkok fra en kryogen væske, med innføring av to brennstoffer i motorens forbrenningsrom gjennom respektive ventiler, karakterisert ved at ved drift kun på dieselolje tilføres en styrt, gassventilen avkjølende mengder inertgass til forbrenningsrommet gjennom gassventilen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at inertgassen slippes inn nær nedre dødpunkt.

4. Fremgangsmåte ved drift av tostoffs-dieselmotor som utnytter dieselolje og avkok fra en kryogen væske, med innfør-ing av de to brennstoffer i motorens forbrenningsrom gjennom respektive ventiler, karakterisert ved at ved behov for rask tømming av gassen i ledningssystemet fra gassforrådet til gassventilen, åpnes gassventilen ved begynnelsen av motorens kompresjonsslag, med styrt tilføring av inertgass til ledningssystemet etter hvert som systemet tømmes og trykket synker.

5. Anvendelse av anordningen ifølge krav 1 for tørning av dieselmotoren, derved at inertgass styres sekvensielt ved passe trykk til de riktige sylindre, avhengig av stempelets stilling og ønsket dreieretning.

6. Anvendelse av anordningen ifølge krav 1 for start av motoren, derved at inertgass, eventuelt luft, føres sekvensielt med egnet trykk til motorens sylindre.

7. Anvendelse av anordningen ifølge krav 1 for start av motoren under gassdrift, dvs. når gasstilførselssystemet og gassventilene står under trykk med gass og motorsylinderne er fyllt med luft ved varierende trykk, avhengig av stempelets stilling og hvor lenge stillstanden har vart, derved at det slippes på brenngass som tennes med f.eks. tennplugger, hvorved det oppnås en øyeblikkelig forbrenning i en eller et fåtall passende sylindre slik at motoren starter.