從熱交換器排放的流體的溫度控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請涉及一種控制來自熱交換器的流體的排放溫度的技術(shù)。在優(yōu)選實施方案 中，所述流體是氣體燃料。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 當(dāng)氣體燃料用作內(nèi)燃機的燃料時，氣體燃料可以在低溫下儲存。氣體燃料的定義 是任何在氣體狀態(tài)下處于標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下的燃料，標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力在本文中的定義是1 個大氣壓和20攝氏度與25攝氏度之間。氣體燃料接近其沸點儲存在儲存容器中。例如，對 于處于大約1個大氣壓的儲存壓力下的甲烷而言，它可以用液化形式在大約-161攝氏度的 溫度下儲存。天然氣是一種氣體混合物，其中甲烷通常占最大部分，儲存溫度可以變化，但 是一般來說接近甲烷的儲存溫度。液化氣以液體狀態(tài)從儲存容器朝熱交換器栗吸，并且通 過熱交換器，在熱交換器中，液化氣轉(zhuǎn)變成超臨界狀態(tài)或氣體狀態(tài)，這取決于離開交換器的 氣體燃料的溫度和壓力。以液化狀態(tài)儲存氣體燃料有一些優(yōu)點。與要求用較小體積來儲存 能量基礎(chǔ)上的等效燃料量的超臨界狀態(tài)或氣體狀態(tài)相比，氣體燃料處在液體狀態(tài)時能量密 度增加。由于與氣體相比液體相對無法壓縮，所以在處于液體狀態(tài)時給氣體燃料加壓，比超 臨界或氣體狀態(tài)時效率更高。在熱交換器中發(fā)生汽化之后，燃料噴射系統(tǒng)接收汽化的氣體 燃料，并且將汽化的氣體燃料直接地或間接地引入到發(fā)動機中的一個或更多個燃燒室。在 本說明書中，汽化是指將液體狀態(tài)的流體轉(zhuǎn)換成超臨界狀態(tài)或氣體狀態(tài)。雖然天然氣（LNG) 是一種示例性氣體燃料，用于許多高馬力（船舶、采礦、機動）和重載（牽拉）發(fā)動機應(yīng)用， 但是其它氣體燃料同樣適用于本文中說明的技術(shù)。
[0004] 在熱交換器中必需有熱源以使氣體燃料的溫度增加到其沸點以上。來自內(nèi)燃機的 水套的發(fā)動機冷卻液可以用作熱源。在熱交換器中通過單獨的路徑傳送發(fā)動機冷卻液，從 而使得燃燒產(chǎn)生的廢熱被傳遞到來自儲存容器的液化氣體燃料，使得液化氣體燃料蒸發(fā)。 通過利用燃燒過程產(chǎn)生的廢熱，相比利用從發(fā)動機輸出得到的能量（例如諸如通過發(fā)動機 驅(qū)動的發(fā)電機提供的電能），效率得到了改善。
[0005] 出于幾點原因，控制從熱交換器排放的氣體燃料的溫度頗為重要。首先，從熱交換 器排放的氣體燃料一般必需處于特定狀態(tài)，例如超臨界狀態(tài)。其次，溫度必須高于預(yù)定最小 值，從而使得熱交換器下游的部件受到保護，以免因溫度過冷可能導(dǎo)致部件故障。當(dāng)熱交換 器下游的氣體燃料的溫度下降到預(yù)定最小值以下時，或者如果預(yù)計會下降到預(yù)定最小值以 下，則將氣體燃料從儲存容器傳遞到熱交換器的栗必須暫停（停止）。當(dāng)栗停止時，停止向 燃料噴射系統(tǒng)遞送氣體燃料，并且隨著發(fā)動機繼續(xù)消耗燃料，可用的燃料噴射壓力降低到 必需水平以下。當(dāng)可用的燃料噴射壓力降低時，發(fā)動機可以設(shè)計成用降額功率輸出繼續(xù)操 作，然后最終停止，或者啟用備用輔助燃料。這種情況是不期望的。
[0006] 當(dāng)發(fā)動機冷卻液過冷時，或者當(dāng)氣體燃料在熱交換器內(nèi)部的停留時間過短時，或 者由于這兩種原因的聯(lián)合，從熱交換器排放的氣體燃料的溫度可能會降低到預(yù)定最小值以 下。在正常發(fā)動機操作條件期間，發(fā)動機冷卻液溫度維持在預(yù)定范圍之間。然而，出于多種 原因，發(fā)動機冷卻液溫度可能偏離這個范圍。一個這樣的原因是，周圍溫度遠低于正常發(fā)動 機操作條件期間的發(fā)動機冷卻液溫度，而在發(fā)動機冷卻液溫度等于或接近這個周圍溫度時 發(fā)生發(fā)動機冷啟動。周圍溫度過低，還可能導(dǎo)致發(fā)動機冷卻液溫度降低到預(yù)定溫度范圍以 下，或者至少使冷啟動性能惡化。
[0007] 熱交換器內(nèi)部的氣體燃料的體積一般小于栗的最大排代體積。在每一次栗沖程期 間，在熱交換器內(nèi)出口處排放的熱交換器內(nèi)的氣體燃料的完整體積加上氣體燃料的額外體 積，等于栗排代體積與熱交換器體積之間的差。在正常發(fā)動機操作條件下，發(fā)動機冷卻液與 熱交換器內(nèi)部的液化氣體燃料之間的溫差足以使從熱交換器排放的氣體燃料完全汽化。然 而，當(dāng)發(fā)動機冷卻液過冷時，額外體積的氣體燃料在熱交換器內(nèi)部的停留時間不足以實現(xiàn) 其汽化。
[0008] -種增加氣體燃料在熱交換器內(nèi)部的停留時間的技術(shù)是降低栗的速度。然而，當(dāng) 栗的速度降低時，氣體燃料的流速相應(yīng)降低，這樣可能導(dǎo)致熱交換器下游的燃料壓力降低， 或者導(dǎo)致燃料壓力發(fā)生不期望的波動。一般而言，發(fā)動機不是在全負荷下運轉(zhuǎn)，而栗也不需 要不停地持續(xù)執(zhí)行沖程。在這些條件下，可以降低栗速以增加氣體燃料在熱交換器中的停 留時間。然而，在從發(fā)動機直接驅(qū)動栗的系統(tǒng)中，不可能與發(fā)動機速度變化分開地改變栗 速。
[0009] Batenburg等人的2006年4月20日公布的加拿大專利No. 2, 523, 732 (下文中稱 為Batenburg)公開了一種流體遞送系統(tǒng)和方法，其從低溫儲存容器栗吸工藝流體，并將其 作為加壓氣體傳送給最終使用者。所述技術(shù)包括，在工藝流體壓力低于預(yù)定低壓閾值時，啟 動栗并且栗吸工藝流體，并且在工藝流體壓力高于預(yù)定高壓閾值時，停止栗。將工藝流體引 導(dǎo)到汽化器，在汽化器中，通過熱交換流體發(fā)出的熱量使工藝流體汽化。在汽化器的下游測 量工藝流體溫度，并且當(dāng)工藝流體的溫度低于預(yù)定閾值溫度時，臨時暫停栗，基于預(yù)定義的 啟用條件再重新啟動栗。
[0010] 需要一種改善的技術(shù)，能夠在導(dǎo)致汽化氣體燃料的溫度降低到預(yù)定最小值以下的 不利的發(fā)動機操作條件期間防止栗暫停。本發(fā)明的方法和裝置提供一種用于改善用液化氣 體燃料提供燃料的內(nèi)燃機的操作的技術(shù)。 發(fā)明概要
[0011] -種控制使流體汽化的熱交換器的排放溫度的改善的方法包括監(jiān)測與所述熱交 換器下游的流體溫度相關(guān)的溫度。栗在多種模式中操作。在第一模式中，當(dāng)所述溫度高于 預(yù)定最小值時，在通過所述熱交換器的每一循環(huán)中栗吸第一量的流體。在第二模式中，當(dāng)所 述溫度等于或小于所述預(yù)定最小值時，在通過所述熱交換器的每一循環(huán)中栗吸第二量的流 體。第二量小于第一量，借此流體在熱交換器內(nèi)部的平均停留時間增加，從而使得熱交換器 下游的流體溫度增加。依據(jù)操作條件，熱交換器可以將流體轉(zhuǎn)換成超臨界狀態(tài)和氣體狀態(tài) 中的一種。流體可以是氣體燃料，諸如天然氣、甲烷、丙烷、乙烷、生物氣、填埋氣體、氫氣和 這些燃料的混合物。依據(jù)與熱交換器下游的流體溫度相關(guān)的溫度、熱交換器下游的流體壓 力、栗的效率和栗的速度中的至少一個確定第二量。栗可以是正排量栗，諸如往復(fù)活塞栗。 與栗吸第一量的流體時相比，在栗吸第二量的流體時，栗的操作頻率更高。
[0012] 在優(yōu)選實施方案中，與第一量相關(guān)的第一體積大于熱交換器內(nèi)部的熱交換區(qū)域內(nèi) 的總體積，并且與第二量相關(guān)的第二體積等于或小于熱交換區(qū)域內(nèi)的總體積。
[0013] 在另一個優(yōu)選實施方案中，所述方法還包括利用來自內(nèi)燃機的發(fā)動機冷卻液中的 廢熱作為熱源使流體汽化。與熱交換器下游的流體溫度相關(guān)的溫度是下面中的一個：發(fā)動 機冷卻液溫度、發(fā)動機冷卻液溫度與流體溫度之間的溫差，以及熱交換器下游的流體溫度。
[0014] 在又另一個優(yōu)選實施方案中，往復(fù)活塞栗是液壓致動的栗，所述方法還包括減少 在排放沖程期間用于延伸活塞的液壓流體的體積，從而減少排放沖程長度。替代地或另外 地，所述方法可以包括減少在吸入沖程期間用于縮回活塞的液壓流體的體積，從而減少隨 后的排放沖程的排放沖程長度。依據(jù)與熱交換器下游的流體溫度相關(guān)的溫度、熱交換器下 游的流體壓力、往復(fù)活塞栗的效率、往復(fù)活塞栗中的活塞的速度和液壓流體流速中的至少 一個確定所述液壓流體的體積。
[0015] 在又另一個優(yōu)選實施方案中，第一量是目標(biāo)量。當(dāng)在第一模式中時，所述方法還包 括：將在通過所述熱交換器的每一循環(huán)中有待栗吸的所述流體的當(dāng)前預(yù)定量初始化成小于 所述目標(biāo)量的值；以及在栗吸循環(huán)之間使所述當(dāng)前預(yù)定量遞增，直到所述當(dāng)前預(yù)定量等于 所述目標(biāo)量為止?？梢砸罁?jù)所述溫度和熱交換器下游的流體的壓力中的至少一個來確定第 一量?？梢酝ㄟ^選擇往復(fù)活塞栗的沖程長度來確定初始化時的當(dāng)前預(yù)定量。當(dāng)在第二模式 中時，將當(dāng)前預(yù)定量設(shè)置成第二量，并且所述方法還包括在栗吸循環(huán)之間使所述當(dāng)前預(yù)定 量遞增，直到所述當(dāng)前預(yù)定量等于所述目標(biāo)量為止。
[0016] -種控制使流體汽化的熱交換器的排放溫度的改善的方法包括監(jiān)測熱交換器下 游的流體溫度。通過從期望的流體溫度減去所述流體溫度在預(yù)定公差范圍內(nèi)確定溫度誤 差。通過控制每一循環(huán)中栗吸的量來操作栗。當(dāng)溫度誤差大于零時減少所述量。當(dāng)溫度誤 差小于零時增加所述量。依據(jù)溫度誤差來確定所述量?？梢赃M一步依據(jù)熱交換器下游的流 體壓力、栗效率和栗速