Спосіб експлуатації газових двигунів з низькокалорійним газом, що містить сн4, та змішувальний пристрій для здійснення способу

Реферат: Винахід стосується способу експлуатації газових двигунів з низькокалорійним газом, що містить СН4. Низькокалорійний газ розділяється на два часткові потоки. Перший частковий потік підводиться до першого змішувача (3) і там змішується з підведеним у вигляді реактивного струменя повітряним потоком з утворенням суміші повітря/низькокалорійний газ. Другий частковий потік низькокалорійного газу підводиться до другого змішувача (3') і там змішується з сумішшю, що тепер діє у вигляді реактивного струменя, повітря/низькокалорійний газ. Суміш повітря/низькокалорійний газ, що виходить з другого змішувача (3'), підводиться до газового двигуна або встановленого попереду газового двигуна турбокомпресора як горюча газова суміш. Предметом винаходу є також пристрій змішувача для здійснення описаного способу. UA 102786 C2 (12) UA 102786 C2 UA 102786 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до способу експлуатації газових двигунів з низькокалорійним газом, що містить СН4. Під поняття низькокалорійний газ підпадають суміші горючого газу, в яких горючі гази, як метан або інші газоподібні вуглеводні, водень та/або оксид вуглецю розбавлені не горючими компонентами такими як азот, діоксид вуглецю або водяна пара. Щоб експлуатувати газовий двигун для отримання електричної енергії, необхідна горюча газова суміш. Звичайним є отримання електричної енергії з копальневого газу або подібних видів газів з мінімальною СН4-концентрацією близько 30 % за об'ємом. При СН4-концентрації нижче за це граничне значення експлуатація газового двигуна обмежується або стає зовсім неможливою. Для транспортування копальневого газу або подібних видів газу та для змішування здобутого низькокалорійного газу з повітрям передбачений змішувач газу Вентурі, який встановлений попереду газового двигуна. Змішувач газу Вентурі дозволяє, що обумовлене конструкцією, змішувати СН4-вмісний горючий газ і підведений повітряний потік в співвідношенні від 1:3,5 до 1:25. Це на практиці є звичайним діапазоном регулювання змішувача газу Вентурі. Обумовлений конструкцією діапазон регулювання має наслідком, що при низькокалорійному газі з нижчою СН4-концентацією нижче 30 % за об'ємом унаслідок підводу повітря, необхідного для роботи газового змішувача Вентурі, виникає дуже розбавлена для газового двигуна, таким чином не горюча суміш повітря/низькокалорійний газ. З документа DE 41 37 573 А1 відомий змішувач газу Вентурі для змішування горючого газу і повітря для двигуна внутрішнього згорання. Щоб мати можливість забезпечити функціонування змішувача газу Вентурі при якості газу, що коливається, кількість горючого газу, всмоктаного за допомогою потоку рухомого повітря через встановлений з можливістю осьового переміщення конічний корпусу Вентурі, який обмежений зазором по периметру для всмоктування горючого газу, може регулюватися. Проте, залишається проблема, що при низькокалорійних газах з СН4вмістом, що знижується, потрібно менше повітря, щоб отримати горючу суміш повітря/газ. При зменшенні кількості знижується, одночасно, швидкість повітря і динаміка всмоктування, обумовлена принципом роботи змішувача газу Вентурі, йде вниз. З документа DE 44 4 6 842 відомий спосіб для підведення газоподібного палива в пальник з попереднім змішуванням, при якому газоподібне паливо і повітря для горіння змішуються одне з одним в двох або декількох ступенях. При відомому способі паливо вводиться в зону попереднього змішування при умові, що попередня суміш знаходиться поза межею займистості палива. Після цього попередня суміш підводиться до примикаючої зони остаточного змішування, щоб там змішатися з додатковим горючим газом та/або вторинним газом, що містить кисень, і підводиться як кінцева суміш до зони горіння. Спосіб застосовується на тлі того, що для процесу горіння використовується достатньо збагачений горючий газ і завдяки хорошому перемішуванню використовуваних газів можуть виходити дуже низькі викиди ΝΟх. На приведеному технологічному фоні в основі винаходу лежить задача розробки способу, за допомогою якого газові двигуни можуть працювати на низькокалорійному газі, який має СН 4концентрацію нижче 25 % за об'ємом, зокрема, без переробки в двигуні. Поставлена задача вирішена за допомогою способу, охарактеризованого ознаками пункту 1 формули винаходу. Спосіб годиться, зокрема, для модернізації існуючих установок з газовими двигунами, які розраховувалися для спалювання копальневого газу або біогазу із вмістом метану щонайменше 30 % за об'ємом, і унаслідок зниження вмісту СН4 в наявному газовому потоці вимушені працювати з низькокалорійним газом, який має вміст метану менше 25 % за об'ємом. Згідно з винаходом низькокалорійний газ, що містить метан, розділяється на два часткові потоки, причому перший частковий потік підводиться до першого змішувача газу Вентурі і там змішується з підведеним у вигляді реактивного струменя повітряним потоком з утворенням суміші повітря/низькокалорійний газ і, причому вторинний потік низькокалорійного газу підводиться до другого змішувача і там змішується з сумішшю повітря/низькокалорійний газ, що тепер діє у вигляді реактивного струменя. Суміш повітря/низькокалорійний газ, що виходить з другого змішувача газу Вентурі, підводиться до газового двигуна або встановленого попереду газового двигуна турбокомпресора у вигляді горючої газової суміші. На відміну від першого змішувача до другого змішувача у вигляді реактивного струменя підводиться вже СН 4-збагачена суміш повітря/низькокалорійний газ. Завдяки цьому може запобігати подальше розбавлення повітрям і в результаті одержати суміш газ/повітря з вищою СН4-концентрацією. З одного боку застосовані змішувачі газу Вентурі згідно принципу Вентурі транспортують СН4-вмісний низькокалорійний газ і з іншого боку вони змішують низькокалорійний газ з повітрям з утворенням горючої газової суміші. Співвідношення в цій газовій суміші між першим підведеним частковим потоком низькокалорійного газу і підведеним у вигляді реактивного струменя повітряним потоком в першому змішувачі газу може змінюватися за допомогою 1 UA 102786 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 регулювальних засобів, які впливають на приплив часткового потоку низькокалорійного газу. З відмінністю, що до другого змішувача газу Вентурі у вигляді реактивного струменя підводиться суміш повітря/низькокалорійний газ, співвідношення в суміші в другому змішувачі газу може змінюватися аналогічно. Згідно переважному варіанту виконання запропонованого у відповідності з винаходом способу регулювальні засоби обох змішувачів газу Вентурі з метою синхронного регулювання механічно сполучені. Виконавчий пристрій, що надає дію на регулювальний засіб одного з обох змішувачів газу Вентурі, таким чином, приводить в дію обидва регулювальні засоби. Згідно альтернативному варіанту виконання запропонованого у відповідності з винаходом способу кожен з регулювальних засобів має виконавчий пристрій, за допомогою якого можлива окрема установка регулювальних засобів. Таким чином, для запуску газового двигуна можливо за допомогою призначеного регулювального засобу відкривати другий змішувач газу і закривати перший змішувач газу для запобігання зворотному перетіканню суміші повітря/низькокалорійний газ. Низькокалорійний газ в цьому випадку тече через другий змішувач газу Вентурі (далі змішувач) у встановлену попереду газового двигуна систему трубопроводів і заздалегідь заповнює її, при цьому газовому двигуну для процесу запуску надається достатня кількість горючої суміші повітря/низькокалорійний газ. Зокрема, для холодного старту газового двигуна до суміші повітря/низькокалорійний газ для поліпшення горючості може підводитися додатковий СН4-збагачений газовий потік. Предметом винаходу також є пристрій змішувача, охарактеризований ознаками пункту 9 формули винаходу і призначений для здійснення описаного способу. Переважні варіанти виконання цього пристрою змішувача розкриті в пунктах 10-14 формули винаходу і пояснюються нижче за допомогою прикладу виконання. На кресленнях представлене наступне: Фіг. 1 - вигляд зверху пристрою змішувача; Фіг. 2 - вигляд збоку пристрою змішувача. Представлений на Фіг. 1 і 2 пристрій змішувача включає два сполучені з підводом 2 газу і розташовані один за одним у напрямку потоку змішувачі 3, 3', регулювальні засоби 4, 4' для зміни кількості газу, що надходить з підводу 2 газу в змішувачі 3, 3', секцію 5 всмоктування повітря, яка приєднана до впускної сторони б першого у напрямку потоку змішувача 3 і служить підведенню реактивного струменя, що надходить в змішувач 3, трубою 7 для попереднього змішування, яка сполучає випускну сторону 8 першого у напрямку потоку змішувача 3 з впускною стороною 6' другого у напрямку потоку змішувача 3' і служить для підведення реактивного струменя, що надходить в другий змішувач 3', а також труба змішувача 9, яка у напрямку потоку розташована на випускній стороні 8' другого змішувача 3' і приєднана до газового двигуна або встановленого попереду газового двигуна турбокомпресора. Змішувачі 3, 3' мають відповідно розташовані по центру у відрізку, що звужується, 10, 10' труби і встановлений з можливістю регулювання по осі корпус 11, 11', при цьому для засмоктування низькокалорійного газу в реактивний струмінь передбачений зазор 12, 12' по периметру. Зазор 12, 12' по периметру обмежується за допомогою відрізку труби, який за допомогою перемичок 13, 13' сполучений з корпусом 11, 11'. Для регулювання кількості низькокалорійного газу, що надходить, відрізок труби з корпусом 11, 11' переміщається по осі. Для цього один з обох корпусів 11, 11' сполучений з регулювальним пристроєм 14, який регулюється за допомогою серводвигуна 15. Через регульований по довжині установлювальний шток 16 обидва корпуси 11, 11' змішувачів 3, 3' сполучено і таким чином можуть регулюватися синхронно. За допомогою регульованого по довжині установлювального штока зазори 12, 12' по периметру можуть підганятися відносно один одного. Установка може проводитися таким чином, що зазори по периметру постійно рівні за величиною. Мається на увазі, що за допомогою регульованого по довжині установлювального штока 16 можуть встановлюватися різні по ширині зазори 12, 12' по периметру, якщо є бажання розділення часткових потоків 5 низькокалорійного газу на різні за величиною часткові потоки низькокалорійного газу. Корпуси 11, 11' розташовані в пристрої змішувача знімно і таким чином можуть замінюватися. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 1. Спосіб експлуатації газових двигунів з низькокалорійним газом, що містить СН 4, при якому низькокалорійний газ розділяють на два часткові потоки і перший частковий потік підводять до першого змішувача (3) і там змішують з підведеним у вигляді реактивного струменя повітряним потоком з утворенням суміші повітря/низькокалорійний газ, та другий частковий потік низькокалорійного газу підводять до другого змішувача (3') і там змішують з сумішшю 2 UA 102786 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 повітря/низькокалорійний газ, що діє у вигляді реактивного струменя, причому суміш повітря/низькокалорійний газ, що виходить з другого змішувача (3'), підводять до газового двигуна або встановленого попереду газового двигуна турбокомпресора у вигляді горючої газової суміші. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що змінюють відношення в суміші між першим підведеним частковим потоком низькокалорійного газу та підведеним у вигляді реактивного струменя повітряним потоком в першому змішувачі (3) за допомогою регулювальних засобів (4, 4'), які впливають на приплив часткового потоку низькокалорійного газу. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що змінюють відношення в суміші між другим підведеним частковим потоком низькокалорійного газу та сумішшю повітря/низькокалорійний газ в другому змішувачі (3') за допомогою регулювальних засобів (4, 4'), які впливають на приплив часткового потоку низькокалорійного газу. 4. Спосіб за п. 2 або 3, який відрізняється тим, що регулювальні засоби (4, 4') змішувачів (З, З') механічно сполучають, причому для синхронного регулювання регулювальних засобів (4, 4') обох змішувачів (3, 3') за допомогою установлювального пристрою впливають на регулювальний засіб (4) одного з обох змішувачів газу (3, 3'). 5. Спосіб за п. 2 або 3, який відрізняється тим, що кожен з регулювальних засобів (4, 4') регулюють за допомогою роздільного установлювального пристрою. 6. Спосіб за п. 5, який відрізняється тим, що для запуску газового двигуна відкривають другий газовий змішувач (3') за допомогою регулювального засобу (4'), а перший змішувач (3) за допомогою регулювальних засобів (4, 4') закривають для запобігання зворотному перетікання суміші повітря/низькокалорійний газ, причому низькокалорійний газ надходить через другий змішувач (3') в трубопровідну систему, встановлену перед газовим двигуном і вона заздалегідь заповнюється низькокалорійним газом. 7. Спосіб за будь-яким з пп. 1-6, який відрізняється тим, що при холодному запуску двигуна для підвищення горючості до суміші повітря/низькокалорійний газ підводять газовий потік, збагачений СН4. 8. Спосіб за будь-яким з пп. 1-7, який відрізняється тим, що як низькокалорійний газ застосовують копальневий газ або біогаз. 9. Змішувальний пристрій для здійснення способу за будь-яким з пп. 1-8, що містить два сполучених з підводом (2) газу, розташованих один за одним у напрямку потоку змішувача (3, 3') регулювальні засоби (4, 4') для зміни кількості газу, що надходить з підводу (2) газу в змішувачі (3, 3'); секцію (5) всмоктування повітря, яка приєднана до впускної сторони (6) першого у напрямку потоку змішувача (3) і призначена для підведення реактивного струменя, що надходить в змішувач газу (3); трубу (7) попереднього змішування, яка сполучає випускну сторону першого змішувача (3) з впускною стороною (6') другого у напрямку потоку змішувача (3') і призначена для підведення реактивного струменя, що надходить в другий змішувач (3'), і трубу (9) змішувача, яка розташована у напрямку потоку на випускній стороні (8') другого змішувача (3') і приєднана до газового двигуна або турбокомпресора, встановленого попереду газового двигуна. 10. Змішувальний пристрій за п. 9, який відрізняється тим, що змішувачі (3, 3') відповідно мають розташований по центру у відрізку труби (10, 10'), що звужується, і встановлений з можливістю переміщення уздовж осі корпус (11, 11'), причому для всмоктування низькокалорійного газу в реактивний струмінь передбачений зазор (12, 12') по периметру. 11. Змішувальний пристрій за п. 9 або 10, який відрізняється тим, що змішувачі (3, 3') мають відрізок (10, 10') труби, що обмежує зазор (12, 12') по периметру, причому вказаний відрізок встановлений з можливістю переміщення по осі. 12. Змішувальний пристрій за будь-яким з пп. 9-11, який відрізняється тим, що корпус (11, 11') за допомогою перемичок (13, 13') сполучений з відрізком (10, 10') труби. 13. Змішувальний пристрій за будь-яким з пп. 9-12, який відрізняється тим, що корпус (11, 11') одного з обох змішувачів (3, 3') сполучений з регулювальним пристроєм (14), який виконаний з можливістю приведення в дію за допомогою серводвигуна (15). 14. Змішувальний пристрій за будь-яким з пп. 9-13, який відрізняється тим, що корпуси (11, 11') змішувачів (3, 3') сполучені через регульований по довжині установлювальний шток (16). 15. Змішувальний пристрій за будь-яким з пп. 9-13, який відрізняється тим, що корпуси (11, 11') обох змішувачів (3, 3') сполучені з відповідно регулювальним пристроєм (14), який виконаний з можливістю окремого регулювання за допомогою серводвигуна (15). 3 UA 102786 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4