一种船用甲醇燃料供应系统及供应方法

技术领域

本发明属于船用燃料供应技术领域，尤其涉及一种船用甲醇燃料供应系统及供应方法。

背景技术

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，也是驱动各国经济社会发展的重要保障。目前，寻找合适的替代能源成为解决我国能源发展问题的重要战略。甲醇是一种清洁、高效、低碳的液体燃料。使用甲醇作为船舶发动机燃料，可以极大缓解我国能源的对外依赖等问题，对我国实现双碳目标有着积极的作用。

中国专利CN116816562A公开了一种船用甲醇燃料的供给系统，包括甲醇供给模块、氮气吹扫/堕化模块、恒温介质供应模块和泄放模块。甲醇供给模块包括与甲醇日用罐依次串联连接的第一甲醇遥控阀、甲醇过滤器、第一甲醇常开球阀、甲醇增压泵、第二甲醇常开球阀、甲醇止回阀、第一甲醇截止阀、甲醇流量计、第二甲醇截止阀、甲醇恒温器、第四甲醇截止阀、双隔断双泄放阀门和第二甲醇遥控阀。氮气吹扫/堕化模块包括甲醇管道吹扫管路、甲醇恒温器吹扫管路和双隔断双泄放阀门吹扫管路。恒温介质供应模块包括恒温介质膨胀罐以及依次串联连接在恒温介质膨胀罐的出口与甲醇恒温器的恒温介质进口之间的初级恒温介质供给管路、中间恒温器和次级恒温介质供给管路。泄放模块分别与甲醇供给模块和氮气吹扫/堕化模块连接。该船用甲醇燃料的供给系统具有易于控制，故障率小，信息反馈更敏捷的特点。

然而，船上空间有限，上述船用甲醇燃料的供给系统为了满足使用要求采用了日用罐及膨胀罐等结构，严重占用了船上空间。

发明内容

本发明的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

本发明提出一种船用甲醇燃料供应系统及供应方法，解决了现有船用甲醇燃料的供给系统为了满足使用要求采用了日用罐及膨胀罐等结构，严重占用了船用空间的技术问题，具有节省船用空间，同时能够保证供给主机的甲醇压力及温度稳定的特点。

本发明一方面公开了一种船用甲醇燃料供应系统，包括甲醇储罐，液压潜液泵，换热单元；所述甲醇储罐的罐体内底部设有吸油井，所述甲醇储罐的罐体底部设置一定坡度且向所述吸油井处汇集；所述液压潜液泵的泵体设于所述甲醇储罐的罐体内并安装于所述吸油井处，通过液压油驱动；所述换热单元以水和乙二醇混合物作为循环换热介质，包括第一换热器、第二换热器；所述第一换热器中，水和乙二醇混合物的部分热量传递给由所述液压潜液泵驳运至所述换热单元的甲醇；所述第二换热器中，热流体的部分热量传递给经所述第一换热器换热的水和乙二醇混合物；经所述第二换热器换热后的水和乙二醇混合物的温度比经所述第一换热器换热后的水和乙二醇混合物的温度高5-15℃。

在其中一些实施例中，所述液压潜液泵通过液压油管与船上配备的液压泵站相连；所述液压潜液泵通过输送管路将所述甲醇储罐的罐体内的甲醇输送至所述换热单元内的所述第一换热器进行换热，通过回流管路将经过所述换热单元换热的甲醇回流至所述甲醇储罐的罐体内；所述回流管路上设有调节阀。

在其中一些实施例中，还包括与所述液压潜液泵相连的变频电机。

在其中一些实施例中，所述换热单元还包括给水和乙二醇混合物加压的水乙二醇泵，以及与所述第一换热器的甲醇出口相连的过滤器，所述过滤器包括并联连接的2个过滤器。

在其中一些实施例中，所述第二换热器的所述热流体为船上低温淡水。

在其中一些实施例中，还包括连接所述换热单元与主机的燃料阀组，所述燃料阀组通过所述过滤器与所述第一换热器的甲醇出口相连。

在其中一些实施例中，还包括甲醇泄放舱及油泄放舱；所述甲醇泄放舱通过管路与所述甲醇储罐、所述换热单元、以及所述燃料阀组相连；所述油泄放舱通过管路与所述燃料阀组相连。

在其中一些实施例中，还包括第一氮气缓冲罐及第二氮气缓冲罐；所述第一氮气缓冲罐通过管路与所述甲醇储罐、所述甲醇泄放舱及所述油泄放舱相连；所述第二氮气缓冲罐通过管路与所述换热单元、所述燃料阀组及所述主机相连。

本发明另一方面提供上述任一技术方案所述的船用甲醇燃料供应系统的供应方法，包括：在液压油的驱动下，置于所述所述甲醇储罐的罐体内的所述液压潜液泵将甲醇供应压力调整至13bar，并将甲醇驳运至所述换热单元内的所述第一换热器进行换热，经过所述第一换热器换热的甲醇温度为25-50℃内的任一值。

在其中一些实施例中，还包括稳定甲醇供应压力步骤：当甲醇供应压力过高时，通过变频电机使液压油流速降低，泵体中叶轮转速降低，从而降低甲醇供应压力；当甲醇供应压力过低时，通过变频电机使液压油流速增加，泵体中叶轮转速增加，从而增大甲醇供应压力；和/或当甲醇供应压力过高时，增大调节阀开度，回流的甲醇变多，从而降低甲醇供应压力；当甲醇供应压力过低时，减小调节阀开度，回流的甲醇变少，从而增大甲醇供应压力。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明一方面提供一种船用甲醇燃料供应系统，通过对甲醇储罐结构的改进，实现了将液压潜液泵内置于甲醇储罐内，保证甲醇顺利输送的情况下省略了日用罐的使用，节省了船用空间；通过对换热单元结构的改进，限定以水和乙二醇混合物作为循环换热介质，同时通过严格控制经两个换热器换热的水和乙二醇混合物的温差，保证换热安全的前提下省略了膨胀罐的使用，进一步节省了船用空间；

本发明另一方面提供一种船用甲醇燃料供应系统的供应方法，满足了供应需求的同时，降低了设备能耗及设备运行噪音，具有高效、节能、低成本的特点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所提供的船用甲醇燃料供应系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的液压潜液泵的安装结构示意图；

附图说明：1、甲醇储罐；101、吸油井；2、液压潜液泵；3、换热单元；301、第一换热器；302、第二换热器；303、水乙二醇泵；304、过滤器；4、燃料阀组；5、主机；6、甲醇泄放舱；7、油泄放舱；801、第一氮气缓冲罐；802、第二氮气缓冲罐；9、调节阀；10、液压油管；11、输送管路；12、回流管路；13、液压泵站。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本发明应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本发明揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本发明公开的内容不充分。

在本发明中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本发明所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本发明所涉及的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本发明所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本发明所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本发明所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本发明所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

本发明实施例提供了一种船用甲醇燃料供应系统，图1为根据本发明实施例的船用甲醇燃料供应系统的结构示意图。参考图1所示，该船用甲醇燃料供应系统包括甲醇储罐1，液压潜液泵2，换热单元3；甲醇储罐1的罐体内底部设有吸油井101，甲醇储罐1的罐体底部设置一定坡度且向吸油井101处汇集；液压潜液泵2的泵体设于甲醇储罐1的罐体内并安装于吸油井101处，通过液压油驱动；换热单元3以水和乙二醇混合物作为循环换热介质，包括第一换热器301、第二换热器302；第一换热器301中，水和乙二醇混合物的部分热量传递给由液压潜液泵2驳运至换热单元3的甲醇；第二换热器302中，热流体的部分热量传递给经第一换热器301换热的水和乙二醇混合物；经第二换热器302换热后的水和乙二醇混合物的温度比经第一换热器301换热后的水和乙二醇混合物的温度高5-15℃。其中，甲醇储罐1用于储存甲醇，液压潜液泵2位于甲醇储罐1内部，其主要功能是将甲醇储罐1中的甲醇驳运至换热单元3，并使其满足主机5需求的供应压力，换热单元3与甲醇储罐1通过管路连接，主要用于保证甲醇满足主机5需求的供应温度和精度，换热单元3中第一换热器301的作用是给甲醇换热，换第二热器的作用是给水和乙二醇混合物(优选两者的混合配比为1:1)换热。该船用甲醇燃料供应系统通过对甲醇储罐1结构的改进，实现了将液压潜液泵2内置于甲醇储罐1内，保证甲醇顺利输送的情况下省略了日用罐的使用，节省了船用空间；通过对换热单元3结构的改进，限定以水和乙二醇混合物作为循环换热介质，同时通过严格控制经两个换热器换热的水和乙二醇混合物的温差，保证换热安全的前提下省略了膨胀罐的使用，进一步节省了船用空间。另外，该船用甲醇燃料供应系统的换热单元3取代供应单元的设计，减小了核心撬块尺寸，降低设备能耗。

需要说明的是，按照船级社规范要求，甲醇储罐1是船上必备的，而甲醇日用舱不是必备的。然而，为了将甲醇在符合条件的压力下供应到换热单元3进行换热，现有技术均需要通过外置的甲醇驳运泵将甲醇储存舱中的甲醇，泵送至甲醇日用舱，再通过供给单元中的甲醇供给泵，泵送至换热单元3中，因此，现有船用甲醇燃料供应系统往往在船体上同时配备日用舱和甲醇供给泵，造成船体空间的占用。本技术方案通过在甲醇储罐1的罐体内部设置液压潜液泵2作为甲醇驳运泵，对甲醇增压并将其驳运至换热单元3，甲醇燃料在换热单元3与船上热源进行热交换，最终进入燃料阀组4，满足供应要求。液压潜液泵2通过液压油驱动，内置于甲醇储罐1内部的结构皆为机械结构，无电气结构，避免了因甲醇与电气结构接触而造成的危险发生，因此可以实现内置。同时，本发明技术方案通过对甲醇储罐1结构的改进，实现了内置于甲醇储罐1罐体内的液压潜液泵2对甲醇的增压及驳运，在取消日用罐使用、节约船内空间、减少设备成本的情况下，保证了甲醇的正常供应。具体的，如图2所示，甲醇储罐1的罐体内底部设有吸油井101，并设置一定坡度，方便甲醇靠重力自流至吸油井101附近，便于通过支架安装在吸油井101处的液压潜液泵2输送甲醇；为了便于液压潜液泵2的安装与维修，甲醇储罐1的罐体顶部还开设有人孔。另外，本发明取消了甲醇供给泵的使用，避免了磁力离心泵导致的发热问题，降低了运行噪音，同时本发明液压潜液泵2的使用既能保证供应压力，又可以避免汽蚀的产生，对模块之间的高度差没有严格要求。现有换热单元3中，为了避免因换热过程中换热介质换热前后温差较大而造成的急速膨胀导致的危险情况的发生，往往需要在换热单元3内设置膨胀罐，从而造成船体空间的进一步缩小。本发明技术方案通过对换热单元3结构的改进，限定以水和乙二醇混合物作为循环换热介质，同时通过严格控制经两个换热器换热的水和乙二醇混合物的温差，优选该温差为10℃，在该温差下，温差较低，膨胀率较小，一方面避免了因换热前后水和乙二醇混合物体积的剧变造成的膨胀风险，节省了膨胀罐的占用空间，同时该温差的设计也是在综合考虑系统的各个运行参数包括换热介质的流量、换热要求、供应要求等得到的既能通过各换热介质的对应流量调整就能满足换热及供热要求，又不会因不使用膨胀罐而造成使用风险的重要指标。为了进一步保证使用安全，还可以配合增加换热单元3内的管路管径冗余来满足膨胀需求，有利于节省船上空间。

在其中一些实施例中，液压潜液泵2通过液压油管10与船上配备的液压泵站13相连；液压潜液泵2通过输送管路11将甲醇储罐1的罐体内的甲醇输送至换热单元3内的第一换热器301进行换热，通过回流管路12将经过换热单元3换热的甲醇回流至甲醇储罐1的罐体内；回流管路12上设有调节阀9。该实施例的液压潜液泵2与回流管路12上的调节阀9可以相互配合，使甲醇燃料压力稳定且满足主机5需求，具体的调整过程包括：1)通过液压泵站13液压油的驱动，使甲醇驳运泵(即液压潜液泵2)获得一定的扬程，通过调节液压油的压力和流速，从而改变泵体中叶轮转速，改变甲醇驳运泵扬程，从而可调节甲醇压力。同时，可通过回流管路12的调节阀9控制甲醇供应压力：当甲醇压力过高时，增大调节阀9开度，回流的甲醇变多，从而降低甲醇供应压力；当甲醇压力过低时，减小调节阀9开度，回流的甲醇变少，从而增大甲醇供应压力。甲醇驳运泵与调节阀9可以相互配合，达到双重控制保证甲醇压力温度的目的。该实施例中，换热单元3与甲醇储罐1通过管路连接，该管路包括了将甲醇储罐1的罐体内的甲醇输送至换热单元3内输送管路11，以及将经过换热单元3换热的甲醇回流至甲醇储罐1的罐体内的回流管路12，且回流管路12上设置了调节阀9，通过调节阀9调节换热单元3回流的甲醇流量，保证甲醇压力稳定。需要说明的是，由于内置于甲醇储罐1内的液压油管10及输送管路11的垂直部分较长，在船体晃动时容易造成管路摇晃，且不易安装，为避免该问题，在一优选实施例中，内置于甲醇储罐1内的液压油管10及输送管路11采用分段安装的方式，每段管路通过法兰连接，有效避免安装困难问题，同时在甲醇储罐1的内侧壁上焊接固定法兰支撑，卡在法兰下方，有效避免管路摇晃甚至断裂。

为了进一步保证甲醇供应压力的稳定，还包括与液压潜液泵2相连的变频电机。当甲醇压力过高时，可通过变频电机使液压油流速降低，泵体转速降低，从而降低甲醇供应压力；当甲醇压力过低时，可通过变频电机使液压油流速增加，泵体转速增加，从而增大甲醇供应压力。

液压潜液泵2的安装结构示意图如图2所示，在甲醇储罐1的舱底部位置设置一个吸油井101结构，将液压潜液泵2的泵体安装在吸油井101处，通过支架固定。泵通过液压油驱动，液压油管10穿过甲醇储罐1顶部与泵体连接，然后通过船上配备的液压泵站13，给予液压油固定的压力与流速，从而驱动泵体内部叶轮转动，将甲醇储罐1中的甲醇经过输送管路11输送至换热单元3，由于液压油保持固定压力与流速，因此甲醇供应压力也可保持稳定。而且液压潜液泵2配备变频电机，回流管路12也设置了调节阀9，可以通过变频电机与调节阀9双重控制，保证压力稳定。液压油管10和输送管路11通过甲醇储罐1壁上的支撑结构进行固定。由于甲醇的性质，与甲醇接触的电气结构必须为防爆，这就导致离心泵、容积泵等无法内置于甲醇储罐1内部，而液压潜液泵2通过液压油驱动，内置于甲醇储罐1内部的结构皆为机械结构，无电气结构，因此可以实现内置。

在其中一些实施例中，换热单元3还包括给水和乙二醇混合物加压的水乙二醇泵303，以及与第一换热器301的甲醇出口相连的过滤器304，过滤器304包括并联连接的2个过滤器304。其中，水乙二醇泵303的作用是给水和乙二醇混合物加压，保证水和乙二醇混合物有足够的压力可以实现完全内循环，通过控制船上低温淡水流量，提供固定的换热量，可保证水乙二醇循环温度固定，从而保证甲醇温度稳定。过滤器304的作用是过滤甲醇中的杂质，本实施例还限定了过滤器304的形式为并联式的双联滤器，一侧工作一侧备用，当一侧堵塞时，可直接切换至另一侧，保证了整个系统的高效运行。在其中一些实施例中，第二换热器302的热流体为船上低温淡水，低温淡水是船上大量存在的资源，实现了船上资源的充分利用。

进一步，还包括连接换热单元3与主机5的燃料阀组4，燃料阀组4通过过滤器304与第一换热器301的甲醇出口相连。燃料阀组4包括各类阀门、开关等，燃料阀组4与换热单元3、主机5通过管路连接，甲醇经燃料阀组4后达到主机5，通过液压潜液泵2将甲醇加压到13bar，通过换热单元3将甲醇温度控制在25-50℃，通过燃料阀组4控制并检测燃油温度、压力等。

在其中一些实施例中，还包括甲醇泄放舱6及油泄放舱7；甲醇泄放舱6通过管路与甲醇储罐1、换热单元3、以及燃料阀组4相连；油泄放舱7通过管路与燃料阀组4相连。通过甲醇泄放舱6收集系统中的甲醇残液，通过油泄放舱7收集主机5回流的燃油。通过在该系统中增加油泄放舱7，取消传统日用舱的设计，避免了日用舱占用大量船体空间。具体地，油泄放舱7与燃料阀组4通过管路连接，主机5回流的燃油经过锥形滤器的过滤后，再依次通过阀被油泄放舱7收集，该实施例中的锥形滤器、阀为本领域内常用装置，其具体结构及原理本实施例不再细述。

进一步还包括第一氮气缓冲罐801及第二氮气缓冲罐802；第一氮气缓冲罐801通过管路与甲醇储罐1、甲醇泄放舱6及油泄放舱7相连；第二氮气缓冲罐802通过管路与换热单元3、燃料阀组4及主机5相连。具体地，第一氮气缓冲罐801与甲醇储罐1、甲醇泄放舱6和油泄放舱7通过管路连接，通过控制阀来控制甲醇储罐1、甲醇泄放舱6和油泄放舱7的氮气注入，以保证连接管路和舱室的惰化。第二氮气缓冲罐802与换热单元3、燃料阀组4和主机5通过管路连接，通过控制阀来控制换热单元3、燃料阀组4和主机5的氮气吹扫和惰化。该船用甲醇供应系统能够为甲醇主机5提供特点流量、温度、压力和精度的甲醇燃料，保证甲醇主机5顺利运行，同时收集系统中的甲醇残液，保证系统安全运行。

本发明另一方面提供上述任一技术方案的船用甲醇燃料供应系统的供应方法，包括：在液压油的驱动下，置于甲醇储罐1的罐体内的液压潜液泵2将甲醇供应压力调整至13bar，并将甲醇驳运至换热单元3内的第一换热器301进行换热，经过第一换热器301换热的甲醇温度为25-50℃内的任一值。进一步还包括稳定甲醇供应压力步骤：当甲醇供应压力过高时，通过变频电机使液压油流速降低，泵体中叶轮转速降低，从而降低甲醇供应压力；当甲醇供应压力过低时，通过变频电机使液压油流速增加，泵体中叶轮转速增加，从而增大甲醇供应压力；和/或当甲醇供应压力过高时，增大调节阀9开度，回流的甲醇变多，从而降低甲醇供应压力；当甲醇供应压力过低时，减小调节阀9开度，回流的甲醇变少，从而增大甲醇供应压力。

上述船用甲醇供应系统具体工作过程如下：甲醇储罐1内的甲醇通过液压潜液泵2，经过阀输送至换热单元3，换热单元3内的部分甲醇经过调节阀9回流至甲醇储罐1，通过液压潜液泵2变频和调节阀9双重调节，保证甲醇压力稳定且满足主机5需求；换热单元3内的甲醇通过换热器换热和双联滤器过滤后满足主机5需求的温度和精度，经过阀达到燃料阀组4，最后达到主机5。主机5中回流的甲醇直接返回甲醇储罐1，主机5中回流的燃油经燃料阀组4返回油泄放舱7。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。