Способ эксплуатации газовых двигателей с низкокалорийным газом, содержащим ch4, и смесительное устройство для осуществления способа

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способу эксплуатации газовых двигателей с СН₄-содержащим низкокалорийным газом. В основе изобретения лежит задача разработки способа, с помощью которого газовые двигатели могут работать на низкокалорийном газе, который имеет СН₄-концентрацию ниже 25% по объему, в частности, без переделки в двигателе. Способ эксплуатации газовых двигателей с СН₄-содержащим низкокалорийным газом, при котором низкокалорийный газ разделяют на два частичных потока, и первый частичный поток подводят к первому смесителю газа Вентури и там смешивают с подведенным в виде реактивной струи воздушным потоком с образованием смеси воздух/низкокалорийный газ, и второй частичный поток низкокалорийного газа подводят ко второму смесителю газа Вентури и там смешивают с действующей в виде реактивной струи смесью воздух/низкокалорийный газ, выходящую из второго смесителя газа Вентури смесь воздух/низкокалорийный газ подводят к газовому двигателю или установленному впереди газового двигателя турбокомпрессору в виде горючей газовой смеси. Предметом изобретения является также смесительное устройство для осуществления описанного способа. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к способу эксплуатации газовых двигателей с низкокалорийным газом, содержащим СН₄. Под понятие низкокалорийный газ подпадают смеси горючего газа, в которых горючие газы, как метан или другие газообразные углеводороды, водород и/или оксид углерода разбавлены не горючими компонентами такими как азот, диоксид углерода или водяной пар.

Чтобы эксплуатировать газовый двигатель для получения электрической энергии, необходима горючая газовая смесь. Обычным является получение электрической энергии из рудничного газа или сравнительных видов газов с минимальной СН₄-концентрацией около 30% по объему. При ОНЦ-концентрации ниже этого предельного значения эксплуатация газового двигателя ограничивается или становится совсем невозможной. Для транспортировки рудничного газа или сравнительных видов газа и для смешения добытого низкокалорийного газа с воздухом предусмотрен смеситель газа Вентури, который установлен впереди газового двигателя. Смеситель газа Вентури позволяет, что обусловлено конструкцией, смешивать СН₄-содержащий горючий газ и подведенный воздушный поток в соотношении от 1:3,5 до 1:25. Это на практике является обычным диапазоном регулирования смесителя газа Вентури. Обусловленный конструкцией диапазон регулирования имеет следствием, что при низкокалорийном газе с более низкой СН₄-концентацией ниже 30% по объему вследствие подвода воздуха, необходимого для работы газового смесителя Вентури, возникает слишком разбавленная для газового двигателя, таким образом не горючая смесь воздух/низкокалорийный газ.

Из документа DE 4137573 А1 известен смеситель газа Вентури для смешивания горючего газа и воздуха для двигателя внутреннего сгорания. Чтобы иметь возможность обеспечить функционирование смесителя газа Вентури при колеблющемся качестве газа, количество горючего газа, всосанного с помощью потока движимого воздуха через установленного с возможностью осевого перемещения конического корпуса Вентури, который ограничен зазором по периметру для всасывания горючего газа, может регулироваться. Тем не менее, остается проблема, что при низкокалорийных газах со снижающимся СН₄-содержанием требуется меньше воздуха, чтобы получить горючую смесь воздух/газ. При снижающемся количестве снижается, одновременно скорость воздуха и динамика всасывания, обусловленная принципом работы смесителя газа Вентури, идет вниз.

Из документа DE 4446842 известен способ для подвода газообразного топлива в горелку с предварительным смешиванием, при котором газообразное топливо и воздух для горения смешиваются друг с другом в двух или нескольких ступенях. При известном способе топливо вводится в зону предварительного смешивания с условием, что предварительная смесь находится вне предела воспламеняемости топлива. После этого предварительная смесь подводится к примыкающей зоне окончательного смешивания, чтобы там смешаться с дополнительным горючим газом и/или содержащим кислород вторичным газом и подводится в качестве конечной смеси к зоне горения. Способ применяется на фоне того, что для процесса горения используется достаточно обогащенный горючий газ и благодаря хорошему перемешиванию используемых газов могут получаться очень низкие выбросы NOx.

На приведенном технологическом фоне в основе изобретения лежит задача разработки способа, с помощью которого газовые двигатели могут работать на низкокалорийном газе, который имеет СН₄-концентрацию ниже 25% по объему, в частности, без переделки в двигателе.

Поставленная задача решена посредством способа, охарактеризованного признаками пункта 1 формулы изобретения. Способ годится, в частности, для модернизации существующих установок с газовыми двигателями, которые рассчитывались для сжигания рудничного газа или биогаза с содержанием метана, по меньшей мере, 30% по объему, и вследствие снижения CH₄-содержания в имеющемся газовом потоке вынуждены работать с низкокалорийным газом, который имеет содержание метана менее 25% по объему.

Согласно изобретению содержащий метан низкокалорийный газ разделяется на два частичных потока, причем первый частичный поток подводится к первому смесителю газа Вентури и там смешивается с подведенным в виде реактивной струи воздушным потоком с образованием смеси воздух/низкокалорийный газ и, причем вторичный поток низкокалорийного газа подводится ко второму смесителю газа Вентури и там смешивается с теперь действующей в виде реактивной струи смесью воздух/низкокалорийный газ. Выходящая из второго смесителя газа Вентури смесь воздух/низкокалорийный газ подводится к газовому двигателю или установленному впереди газового двигателя турбокомпрессору в виде горючей газовой смеси. В отличие от первого смесителя газа Вентури ко второму смесителю газа Вентури в виде реактивной струи подводится уже СН₄-обогащенная смесь воздух/низкокалорийный газ. Благодаря этому может предотвращаться дальнейшее разбавление воздухом и в результате получаться смесь газ/воздух с более высокой СН₄-концентрацией.

С одной стороны примененные смесители газа Вентури согласно принципу Вентури транспортируют CH₄-содержащий низкокалорийный газ и с другой стороны они смешивают низкокалорийный газ с воздухом с образованием горючей газовой смеси. Соотношение в этой газовой смеси между первым подведенным частичным потоком низкокалорийного газа и подведенным в виде реактивной струи воздушным потоком в первом смесителе газа может изменяться с помощью регулировочных средств, которые оказывают влияние на приток частичного потока низкокалорийного газа. С отличием, что ко второму смесителю газа Вентури в виде реактивной струи подводится смесь воздух/низкокалорийный газ, соотношение в смеси во втором смесителе газа Вентури может изменяться аналогично.

Согласно предпочтительному варианту выполнения предложенного в соответствие с изобретением способа регулировочные средства обоих смесителей газа Вентури с целью синхронного регулирования механически соединены. Исполнительное устройство, оказывающее действие на регулировочное средство одного из обоих смесителей газа Вентури, таким образом, приводит в действие оба регулировочных средства.

Согласно альтернативному варианту выполнения предложенного в соответствие с изобретением способа каждое из регулировочных средств имеет исполнительное устройство, с помощью которого возможна отдельная установка регулировочных средств. Таким образом, для запуска газового двигателя возможно с помощью предназначенного регулировочного средства открывать второй смеситель газа Вентури и закрывать первый смеситель газа Вентури для предотвращения обратного течения смеси воздух/низкокалорийный газ. Низкокалорийный газ в этом случае течет через второй смеситель газа Вентури в установленную впереди газового двигателя систему трубопроводов и предварительно заполняет ее, при этом газовому двигателю для процесса запуска предоставляется достаточное количество горючей смеси воздух/низкокалорийный газ. В частности, для холодного старта газового двигателя к смеси воздух/низкокалорийный газ для улучшения горючести может подводиться дополнительный СН₄-обогащенный газовый поток.

Предметом изобретения также является смесительное устройство, охарактеризованное признаками пункта 9 формулы изобретения и предназначенное для осуществления описанного способа. Предпочтительные варианты выполнения этого смесительного устройства раскрыты в пунктах 10-14 формулы изобретения и поясняются ниже с помощью примера выполнения.

На чертежах представлено следующее:

фиг.1 - вид сверху смесительного устройства;

фиг.2 - вид сбоку смесительного устройства.

Представленное на фиг.1 и 2 смесительное устройство включает два соединенные с подводом 2 газа и расположенные друг за другом в направлении потока смесителя 3, 3' газа Вентури, регулировочные средства 4, 4' для изменения количества газа, поступающего из подвода 2 газа в смесители 3, 3' газа Вентури, секцию 5 всасывания воздуха, которая присоединена к впускной стороне 6 первого в направлении потока смесителя 3 газа Вентури и служит подводу реактивной струи, поступающей в смеситель 3 газа Вентури, трубой 7 для предварительного смешивания, которая соединяет выпускную сторону 8 первого в направлении потока смесителя 3 газа Вентури с впускной стороной 6' второго в направлении потока смесителя 3' газа Вентури и служит подводу поступающей во второй смеситель 3' газа Вентури реактивной струи, а также смесительную трубу 9, которая в направлении потока расположена на выпускной стороне 8' второго смесителя 3' газа Вентури и присоединена к газовому двигателю или установленному впереди газового двигателя турбокомпрессору.

Смесители 3, 3' газа Вентури имеют соответственно расположенное по центру в сужающемся отрезке 10, 10' трубы и установленный с возможностью регулирования по оси корпус 11, 11' Вентури, при этом для засасывания низкокалорийного газа в реактивную струю предусмотрен зазор 12, 12' по периметру. Зазор 12, 12' по периметру ограничивается с помощью отрезка трубы, который с помощью перемычек 13, 13' соединен с корпусом 11, 11' Вентури. Для регулирования поступающего количества низкокалорийного газа отрезок трубы с корпусом 11, 11' Вентури перемещается по оси. Для этого один из обоих корпусов 11, 11' Вентури соединен с регулировочным устройством 14, которое регулируется с помощью серводвигателя 15. Через регулируемый по длине установочный шток 16 оба корпуса 11, 11' Вентури смесителей 3, 3' газа Вентури соединены и таким образом могут регулироваться синхронно. С помощью регулируемого по длине установочного штока зазоры 12, 12' по периметру могут подгоняться относительно друг друга. Установка может производиться таким образом, что зазоры по периметру постоянно равны по величине. Подразумевается, что с помощью регулируемого по длине установочного штока 16 могут устанавливаться различные по ширине зазоры 12, 12' по периметру, если имеется желание разделения частичных потоков низкокалорийного газа на различные по величине частичные потоки низкокалорийного газа. Корпуса 11, 11' Вентури расположены в смесительном устройстве съемно и таким образом могут заменяться.

1. Способ эксплуатации газовых двигателей с СН₄-содержащим низкокалорийным газом, при котором низкокалорийный газ разделяют на два частичных потока и первый частичный поток подводят к первому смесителю (3) газа Вентури и там смешивают с подведенным в виде реактивной струи воздушным потоком с образованием смеси воздух/низкокалорийный газ, и второй частичный поток низкокалорийного газа подводят ко второму смесителю (3') газа Вентури и там смешивают с действующей в виде реактивной струи смесью воздух/низкокалорийный газ, причем выходящую из второго смесителя (3') газа Вентури смесь воздух/низкокалорийный газ подводят к газовому двигателю или установленному впереди газового двигателя турбокомпрессору в виде горючей газовой смеси.

2. Способ по п.1, в котором изменяют отношение в смеси между первым подведенным частичным потоком низкокалорийного газа и подведенным в виде реактивной струи воздушным потоком в первом смесителе (3) Вентури с помощью регулировочных средств (4, 4'), которые оказывают влияние на приток частичного потока низкокалорийного газа.

3. Способ по п.1 или 2, в котором изменяют отношение в смеси между вторым подведенным частичным потоком низкокалорийного газа и смесью воздух/низкокалорийный газ во втором смесителе (3') газа Вентури с помощью регулировочных средств (4, 4'), которые оказывают влияние на приток частичного потока низкокалорийного газа.

4. Способ по п.2, в котором регулировочные средства (4, 4') смесителей (3, 3') газа Вентури механически соединяют, причем для синхронной регулировки регулировочных средств (4, 4') обоих смесителей (3, 3') Вентури с помощью установочного устройства воздействуют на регулировочное средство (4) одного из обоих смесителей газа (3, 3') Вентури.

5. Способ по п.2, в котором каждое из регулировочных средств (4, 4') регулируют с помощью раздельного установочного устройства.

6. Способ по п.5, в котором для запуска газового двигателя открывают второй газовый смеситель (3') Вентури с помощью регулировочного средства (4'), а первый смеситель (3) газа Вентури с помощью регулировочных средств (4, 4') закрывают для предотвращения обратного течения смеси воздух/низкокалорийный газ, причем низкокалорийный газ поступает через второй смеситель (3') газа Вентури в трубопроводную систему, установленную перед газовым двигателем, и она предварительно заполняется низкокалорийным газом.

7. Способ по п.1 или 2, в котором при холодном запуске двигателя для повышения горючести к смеси воздух/низкокалорийный газ подводят газовый поток, обогащенный CH₄.

8. Способ по п.1 или 2, в котором в качестве низкокалорийного газа применяют рудничный газ или биогаз.

9. Смесительное устройство для осуществления способа по любому из пп.1-8, содержащее два соединенных с подводом (2) газа, расположенных друг за другом в направлении потока смесителя (3, 3') газа Вентури; регулировочные средства (4, 4') для изменения количества газа, поступающего из подвода (2) газа в смесители (3,3') газа Вентури; секцию (5) всасывания воздуха, которая присоединена к впускной стороне (6) первого в направлении потока смесителя (3) газа Вентури и предназначена для подвода реактивной струи, поступающей в смеситель газа (3) Вентури; трубу (7) предварительного смешивания, которая соединяет выпускную сторону первого смесителя (3) газа Вентури с впускной стороной (6') второго в направлении потока смесителя (3') газа Вентури и предназначена для подвода реактивной струи, поступающей во второй смеситель (3') газа Вентури, и смесительную трубу (9), которая расположена в направлении потока на выпускной стороне (8') второго смесителя (3') газа Вентури и присоединена к газовому двигателю или турбокомпрессору, установленному впереди газового двигателя.

10. Смесительное устройство по п.9, в котором смесители (3, 3') газа Вентури соответственно имеют расположенный по центру в сужающемся отрезке трубы (10, 10') и установленный с возможностью перемещения вдоль оси корпус (11, 11') Вентури, причем для всасывания низкокалорийного газа в реактивную струю предусмотрен зазор (12, 12') по периметру.

11. Смесительное устройство по п.9 или 10, в котором смесители (3, 3') газа Вентури имеют отрезок (10, 10') трубы, ограничивающий зазор (12, 12') по периметру, причем указанный отрезок установлен с возможностью перемещения по оси.

12. Смесительное устройство по п.9 или 10, в котором корпус (11, 11) Вентури с помощью перемычек (13, 13') соединен с отрезком (10, 10') трубы.

13. Смесительное устройство по п.9 или 10, в котором корпус (11, 11') Вентури одного из обоих смесителей (3, 3') газа Вентури соединен с регулировочным устройством (14), которое выполнено с возможностью приведения в действие с помощью серводвигателя (15).

14. Смесительное устройство по п.9 или 10, в котором корпуса (11, 11') Вентури смесителей (3, 3') газа Вентури соединены через регулируемый по длине установочный шток (16).

15. Смесительное устройство по п.9 или 10, в котором корпуса (11, 11') Вентури обоих смесителей (3, 3') газа Вентури соединены с соответственно регулировочным устройством (14), которое выполнено с возможностью отдельной регулировки с помощью серводвигателя (15).