一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统及其供应方法与流程

1.本发明涉及气体发动机技术领域，具体涉及一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统及其供应方法。


背景技术：

2.随着能源和环境问题的日益突出，国际海事组织(imo)和中国分别制定了越来越严格的排放法规和“碳达峰和碳中和”目标，严格排放法规使传统柴油机、汽油机企业的生存和发展面临前所未有的挑战，故发展高效燃烧清洁技术成为国际能源动力领域的共识。
3.煤层气，又被称作煤层甲烷，是一种与煤炭共生、伴生的气体资源，常附着在煤基质颗粒表面，或存于煤块和岩层的缝隙。它是一种多组分的复杂低热值气体物质，主要成分是甲烷等多种低碳烷烃，但几乎不包含任何硫、粉尘和其它有害物质。这种特性使煤层气不仅是一种热值较高的气体燃料，且在燃烧过程中产生二氧化碳的质量也远低于其他化石燃料。因此推进煤层气燃烧技术的发展，是改善温室效应，和提高社会效益、经济效益的重要举措。
4.煤层气的技术应用也面临着一定挑战，这是因为气体发动机对空燃比的变化较为敏感，而煤层气成分复杂，除了低碳烷烃外不仅包含二氧化碳等不可燃烧的物质，且其组分还会随地形、气候和开采深度等条件发生变化。中国发明专利cn109764346b通过对煤层气催化、加热和稀释进行安全处理，但无法满足发动机对燃料稳定性的要求。


技术实现要素：

5.本发明为了解决现有气体发动机燃料供应系统无法满足发动机对燃料稳定性的要求的问题，进而提出一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统及其供应方法。
6.本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
7.一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统包括进气总管、燃气总管、预混室、天然气调节阀、煤层气调节阀、天然气气轨、天然气储气罐、煤层气储气罐、进气歧管、天然气歧管调节阀、排气歧管、氧传感器和控制器，进气总管的出气端与进气歧管的进气端连接，进气歧管上设置有天然气歧管调节阀，天然气歧管调节阀的进气端与天然气气轨的出气端连接，进气歧管的出气端与气体发动机的进气端连接，气体发动机的出气端与排气歧管的进气端连接，排气歧管上设置有氧传感器，预混室的出气端通过燃气总管与进气总管连接，预混室的进气端连接有天然气调节阀和煤层气调节阀，天然气调节阀的进气端与天然气气轨的出气端连接，天然气气轨的进气端通过天然气管道与天然气储气罐的出气端连接，煤层气调节阀的进气端通过煤层气管道与煤层气储气罐的出气端连接，氧传感器、煤层气调节阀、天然气调节阀和天然气歧管调节阀分别与控制器电连接。
8.进一步地，氧传感器的信号输出端与控制器的信号输入端连接，控制器的信号输出端分别与煤层气调节阀、天然气调节阀和天然气歧管调节阀的信号输入端连接。
9.进一步地，进气歧管出气端的数量和排气歧管进气端的数量均与气体发动机中气
缸的数量相同，天然气歧管调节阀和氧传感器的数量均与气体发动机中气缸的数量相同，进气歧管的每个出气端均设置有一个天然气歧管调节阀，排气歧管的每个进气端均设置有一个氧传感器。
10.进一步地，所述天然气管道上连接有天然气调压装置。
11.进一步地，所述煤层气管道上连接有煤层气调压装置。
12.进一步地，所述氧传感器为空燃比传感器。
13.进一步地，所述控制器为ecu电子控制器。
14.一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统的供应方法包括双燃料供给模式，双燃料供给模式包括如下步骤：
15.控制器根据工况图预设煤层气调节阀的开启程度，煤层气流入进气总管，经过进气歧管进入气体发动机气缸燃烧，尾气由排气歧管排出，氧传感器依次将空燃比信号传递给控制器，控制器根据接收到的信号调节各天然气歧管调节阀，控制天然气流入量，使气体发动机全部气缸的空燃比维持在目标值。
16.一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统的供应方法包括混合燃料供给模式，混合燃料供给模式包括如下步骤：
17.控制器根据工况图预设煤层气调节阀和天然气调节阀的开启程度，煤层气和天然气流入预混室进行混合，然后由燃气总管流入进气总管，经过进气歧管进入气体发动机气缸燃烧，尾气由排气歧管排出。
18.一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统的供应方法包括天然气供给模式，天然气供给模式包括如下步骤：
19.控制器根据工况图预设天然气调节阀的开启程度，天然气流入进气总管，经过进气歧管进入气体发动机气缸燃烧，尾气由排气歧管排出，氧传感器依次将空燃比信号传递给控制器，控制器根据接收到的信号调节各天然气歧管调节阀，控制天然气流入量，使气体发动机全部气缸的空燃比维持在目标值。
20.本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
21.1、采用混合式供给模式调节煤层气和天然气的供给比例，其中煤层气为总管供给，天然气为歧管供给，既能确保煤层气供给的结构简单，也能保证燃气组分调控的精确和快速响应。
22.2、在排气总管布置尾气氧传感器监视发动机燃烧状况，并有ecu控制单元将尾气氧传感器采集的信号转换为控制信号，用于调控煤层气和天然气的供给，实现闭环控制，当发动机的工况发生变化或者煤层气的成分发生变化时，可以快速自动调节，提高系统的稳定性。
23.3、本发明变组分燃料供应系统的正常工作模式，是煤层气和天然气双燃料供给模式，ecu控制器接收空燃比后反馈调节各天然气歧管调节阀，使天然气发动机全部气缸的空燃比维持在目标值。
24.4、为了充分提高燃气供应系统的可靠性，本发明考虑了燃气供给系统可能出现的两种故障情况，分别是天然气歧管供应管路故障和煤层气供应管路故障，发生故障时可对应开启混合燃料供给模式和天然气供给模式，满足发动机对燃料稳定性的要求。
附图说明
25.图1是本发明的整体结构示意图；
具体实施方式
26.具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统包括进气总管1、燃气总管2、预混室3、天然气调节阀4、煤层气调节阀5、天然气气轨6、天然气储气罐9、煤层气储气罐10、进气歧管11、天然气歧管调节阀12、排气歧管13、氧传感器14和控制器15，进气总管1的出气端与进气歧管11的进气端连接，进气歧管11上设置有天然气歧管调节阀12，天然气歧管调节阀12的进气端与天然气气轨6的出气端连接，进气歧管11的出气端与气体发动机的进气端连接，气体发动机的出气端与排气歧管13的进气端连接，排气歧管13上设置有氧传感器14，预混室3的出气端通过燃气总管2与进气总管1连接，预混室3的进气端连接有天然气调节阀4和煤层气调节阀5，天然气调节阀4的进气端与天然气气轨6的出气端连接，天然气气轨6的进气端通过天然气管道与天然气储气罐9的出气端连接，煤层气调节阀5的进气端通过煤层气管道与煤层气储气罐10的出气端连接，氧传感器14、煤层气调节阀5、天然气调节阀4和天然气歧管调节阀12分别与控制器15电连接。
27.所述煤层气调节阀5和天然气调节阀4，分别调节流入进气总管1的煤层气流量和天然气流量；所述天然气歧管调节阀12，调节流入进气歧管11的天然气流量；氧传感器14布置在排气歧管13，可通过检测尾气成分感知空燃比状况，并将信号反馈给控制器15。控制器15是燃料供应系统的控制核心，负责接收氧传感器14的信号，和控制煤层气调节阀5、天然气调节阀4和全部天然气歧管调节阀12的开启程度。
28.控制器15通过改变各调节阀的开启程度，一方面实现纯天然气模式与天然气和煤层气双燃料模式的灵活切换，提高系统可靠性，另一方面在变工况下实现空燃比闭环控制，改善经济性和排放性。
29.煤层气调节阀5、天然气调节阀4和天然气歧管调节阀12均为蝶阀结构，煤层气调节阀5和天然气调节阀4的数目为1，天然气歧管调节阀12的数目和气缸数相等，各调节阀间互不干扰，均被控制器15独立控制。
30.所述预混室3是一个三向连通的腔室，两个进口分别布置一个煤层气调节阀5和天然气调节阀4，出口连通燃气总管2。
31.本发明的目的在于提供一种多阀联动式的气体机变组分燃料供应系统，调节煤层气和天然气的进气流量，实现空燃比闭环控制，保障多缸气体发动机的稳定燃烧。
32.具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式氧传感器14的信号输出端与控制器15的信号输入端连接，控制器15的信号输出端分别与煤层气调节阀5、天然气调节阀4和天然气歧管调节阀12的信号输入端连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
33.控制器15接收来自氧传感器14的信号，并且向煤层气调节阀5、天然气调节阀4和天然气歧管调节阀12输出控制信号。
34.具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式进气歧管11出气端的数量和排气歧管13进气端的数量均与气体发动机中气缸的数量相同，天然气歧管调节阀12和氧
传感器14的数量均与气体发动机中气缸的数量相同，进气歧管11的每个出气端均设置有一个天然气歧管调节阀12，排气歧管13的每个进气端均设置有一个氧传感器14。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。
35.具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述天然气管道上连接有天然气调压装置7。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
36.如此设计保证天然气调节阀4和天然气歧管调节阀12上游始终处于恒定压力。
37.具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述煤层气管道上连接有煤层气调压装置8。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
38.如此设计保证煤层气调节阀5上游始终处于恒定压力。
39.具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述氧传感器14为空燃比传感器。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
40.氧传感器14为空燃比传感器，分别计算对应气缸的实际空燃比，独立传递给控制器15，各氧传感器14均与控制器15独立连接。
41.具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述控制器15为ecu电子控制器。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
42.具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统的供应方法包括双燃料供给模式，双燃料供给模式包括如下步骤：
43.控制器15根据工况图预设煤层气调节阀5的开启程度，煤层气流入进气总管1，经过进气歧管11进入气体发动机气缸燃烧，尾气由排气歧管13排出，氧传感器14依次将空燃比信号传递给控制器15，控制器15根据接收到的信号调节各天然气歧管调节阀12，控制天然气流入量，使气体发动机全部气缸的空燃比维持在目标值。
44.所述燃料供应系统的正常工作模式是煤层气和天然气双燃料供给模式。
45.其中工况图为工况map图。
46.具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统的供应方法包括混合燃料供给模式，混合燃料供给模式包括如下步骤：
47.控制器15根据工况图预设煤层气调节阀5和天然气调节阀4的开启程度，煤层气和天然气流入预混室3进行混合，然后由燃气总管2流入进气总管1，经过进气歧管11进入气体发动机气缸燃烧，尾气由排气歧管13排出。
48.所述燃料供应系统的非正常工作模式包含混合燃料供给模式，混合燃料供给模式为煤层气和天然气混合供给。
49.混合燃料供给模式是天然气歧管供应管路故障时的备用供给模式。
50.具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统的供应方法包括天然气供给模式，天然气供给模式包括如下步骤：
51.控制器15根据工况图预设天然气调节阀4的开启程度，天然气流入进气总管1，经过进气歧管11进入气体发动机气缸燃烧，尾气由排气歧管13排出，氧传感器14依次将空燃比信号传递给控制器15，控制器15根据接收到的信号调节各天然气歧管调节阀12，控制天然气流入量，使气体发动机全部气缸的空燃比维持在目标值。
52.所述燃料供应系统的非正常工作模式包含天然气供给模式。
53.天然气供给模式是煤层气供应管路故障时的备用供给模式。
54.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统，其特征在于：它包括进气总管(1)、燃气总管(2)、预混室(3)、天然气调节阀(4)、煤层气调节阀(5)、天然气气轨(6)、天然气储气罐(9)、煤层气储气罐(10)、进气歧管(11)、天然气歧管调节阀(12)、排气歧管(13)、氧传感器(14)和控制器(15)，进气总管(1)的出气端与进气歧管(11)的进气端连接，进气歧管(11)上设置有天然气歧管调节阀(12)，天然气歧管调节阀(12)的进气端与天然气气轨(6)的出气端连接，进气歧管(11)的出气端与气体发动机的进气端连接，气体发动机的出气端与排气歧管(13)的进气端连接，排气歧管(13)上设置有氧传感器(14)，预混室(3)的出气端通过燃气总管(2)与进气总管(1)连接，预混室(3)的进气端连接有天然气调节阀(4)和煤层气调节阀(5)，天然气调节阀(4)的进气端与天然气气轨(6)的出气端连接，天然气气轨(6)的进气端通过天然气管道与天然气储气罐(9)的出气端连接，煤层气调节阀(5)的进气端通过煤层气管道与煤层气储气罐(10)的出气端连接，氧传感器(14)、煤层气调节阀(5)、天然气调节阀(4)和天然气歧管调节阀(12)分别与控制器(15)电连接。2.根据权利要求1所述一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统，其特征在于：氧传感器(14)的信号输出端与控制器(15)的信号输入端连接，控制器(15)的信号输出端分别与煤层气调节阀(5)、天然气调节阀(4)和天然气歧管调节阀(12)的信号输入端连接。3.根据权利要求2所述一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统，其特征在于：进气歧管(11)出气端的数量和排气歧管(13)进气端的数量均与气体发动机中气缸的数量相同，天然气歧管调节阀(12)和氧传感器(14)的数量均与气体发动机中气缸的数量相同，进气歧管(11)的每个出气端均设置有一个天然气歧管调节阀(12)，排气歧管(13)的每个进气端均设置有一个氧传感器(14)。4.根据权利要求1所述一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统，其特征在于：所述天然气管道上连接有天然气调压装置(7)。5.根据权利要求1所述一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统，其特征在于：所述煤层气管道上连接有煤层气调压装置(8)。6.根据权利要求1所述一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统，其特征在于：所述氧传感器(14)为空燃比传感器。7.根据权利要求1所述一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统，其特征在于：所述控制器(15)为ecu电子控制器。8.一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统的供应方法，其特征在于：所述方法包括双燃料供给模式，双燃料供给模式包括如下步骤：控制器(15)根据工况图预设煤层气调节阀(5)的开启程度，煤层气流入进气总管(1)，经过进气歧管(11)进入气体发动机气缸燃烧，尾气由排气歧管(13)排出，氧传感器(14)依次将空燃比信号传递给控制器(15)，控制器(15)根据接收到的信号调节各天然气歧管调节阀(12)，控制天然气流入量，使气体发动机全部气缸的空燃比维持在目标值。9.一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统的供应方法，其特征在于：所述方法包括混合燃料供给模式，混合燃料供给模式包括如下步骤：控制器(15)根据工况图预设煤层气调节阀(5)和天然气调节阀(4)的开启程度，煤层气和天然气流入预混室(3)进行混合，然后由燃气总管(2)流入进气总管(1)，经过进气歧管(11)进入气体发动机气缸燃烧，尾气由排气歧管(13)排出。
10.一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统的供应方法，其特征在于：所述方法包括天然气供给模式，天然气供给模式包括如下步骤：控制器(15)根据工况图预设天然气调节阀(4)的开启程度，天然气流入进气总管(1)，经过进气歧管(11)进入气体发动机气缸燃烧，尾气由排气歧管(13)排出，氧传感器(14)依次将空燃比信号传递给控制器(15)，控制器(15)根据接收到的信号调节各天然气歧管调节阀(12)，控制天然气流入量，使气体发动机全部气缸的空燃比维持在目标值。

技术总结
一种多阀联动式气体机变组分燃料供应系统及其供应方法。本发明涉及气体发动机技术领域。本发明为了解决现有气体发动机燃料供应系统无法满足发动机对燃料稳定性的要求的问题。本发明供应系统包括进气总管、燃气总管、预混室、天然气调节阀、煤层气调节阀、天然气气轨、天然气储气罐、煤层气储气罐、进气歧管、天然气歧管调节阀、排气歧管、氧传感器和控制器，进气歧管上设置有天然气歧管调节阀，排气歧管上设置有氧传感器，预混室的出气端通过燃气总管与进气总管连接，预混室的进气端连接有天然气调节阀和煤层气调节阀，氧传感器、煤层气调节阀、天然气调节阀和天然气歧管调节阀分别与控制器电连接。本发明用于气体机变组分燃料供应。本发明用于气体机变组分燃料供应。本发明用于气体机变组分燃料供应。


技术研发人员：洪增元 代波涛 王安林 赵云云 崔永亮
受保护的技术使用者：哈尔滨汽轮机厂有限责任公司
技术研发日：2022.12.26
技术公布日：2023/6/12