Optymalizacja procesu spalania w przemysłowych silnikach gazowych

Jakub Łukasz Rojewski
Politechnika Poznańska
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Optymalizacja procesu spalania w przemysłowych silnikach
gazowych
Konkurencyjność Wielkopolski w skali kraju nie jest tak duża, jak wskazuje na to
powierzchnia (29826 km2 - to drugie miejsce w kraju), czy też ludność (8,7% ogółu, tj.
3 miejsce w kraju). Pod względem PKB (Produktu Krajowego Brutto) Wielkopolska zajmuje
trzecie miejsce w kraju. Wytworzono tu 9,5% krajowej wielkości PKB (2009 r., Mazowieckie
21,9%, Śląskie 13,1%, Dolnośląskie 8,2%, Małopolskie 7,4%). Wartość PKB przypadająca
na jednego mieszkańca wielkopolski wyniosła 37424 zł, czyli była wyższa od średniej
krajowej wynoszącej 35210 zł. Miasto Poznań miało PKB przypadające na jednego
mieszkańca na poziomie 70184 zł. Poza miastem Poznań, reszta regionu ma średni PKB na
jednego mieszkańca o 11,5% niższy od średniej krajowej i wynosi 31157 zł. Przy potencjale
jaki posiada Wielkopolska jeśli chodzi o powierzchnię i liczbę ludności to jej możliwości nie
są w pełni wykorzystane.
Należy zaznaczyć, że Wielkopolska nie rozwija się równomiernie. Zaczyna zaznaczać
się dysproporcja w rozwoju samego miasta Poznań i reszty regionu, który zaczyna odstawać
od średniej krajowej.
Temat mojej pracy doktorskiej znakomicie wpisuje się w założenia Regionalnej
Strategii Innowacji dla Wielkopolski, gdyż z jednej strony zakłada wykorzystanie dużych
zasobów gazu ziemnego wysoko i nisko kalorycznego jako źródła energii. Z drugiej strony
stwarza szansę na wykorzystanie potencjału przemysłowego i doświadczenia takich firm jak
HCP (Hipolit Cegielski Poznań), które po upadku przemysłu stoczniowego poszukują nowych
celów produkcyjnych. Według opinii fachowców z firmy Rurhgas w Polsce potrzebnych
będzie od 10 do 15 tys. silników gazowych, jako agregatów w układach kogeneracyjnych.
Jest to znakomita perspektywa nie tylko dla zakładów HCP, jako producenta silników, ale
także dla mniejszych firm, takich jak HCP Serwis czy KRIO Serwis z Odolanowa, które
mogłyby się zająć ich serwisowaniem.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Łącząc te, jakże ważne dla naszego regionu sprawy tzn. bogactwa naturalne,
doświadczenie produkcyjne i wiedzę można uzyskać zupełnie nowe wartości, które powinny
stać się naszą regionalną wizytówką i dumą.
Można dać podstawy pod realizację bardzo ambitnego projektu, jakim powinna być
tania i bezpieczna energia zaspokajająca potrzeby energetyczne Wielkopolski. Należy
podkreślić, że sprawność przetworzenia energii pierwotnej w przypadku kogeneracji opartej
na silnikach gazowych wynosi nawet ponad 90%. Jest to wartość znacząco wyższa od
średniej sprawności elektrowni cieplnych w Polsce wynoszącej 33,8%, tj. wartość najniższa
w Unii Europejskiej.
Istotnym
elementem
mojej
pracy
doktorskiej
jest
ścisła
współpraca
nauki
z przemysłem. Już od samego początku współpracuję z dwiema firmami, tj. PGNiG S.A.
w Warszawie Oddział w Odolanowie i KRIO Serwis Sp. z o.o. w zakresie poprawy
funkcjonowania silników gazowych pracujących w polskim systemie przesyłowym.
Wykonane przeze mnie badania, pomiary oraz obliczenia wskazują, że efekty mojej pracy
doktorskiej będą mogły zostać z powodzeniem wykorzystane w praktyce przez konkretne
firmy funkcjonujące w regionie. Przyniesie to wymierne efekty w postaci mniejszej emisji
tlenków azotu i węglowodorów, ale także w mniejszym zużyciu gazu paliwowego, co łatwo
przeliczyć na konkretne, znaczące oszczędności ekonomiczne.
Cel do jakiego to opracowanie modelu (programu) opartego na mechanizmie GRI
Mech 3.0 opracowanym przez pracowników Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley,
Uniwersytetu Stanford, Uniwersytetu Texasu w Austin oraz SRI International, który pozwalać
będzie na symulowanie procesu spalania w silniku gazowym przy następujących
założeniach:
- minimalna ilość danych dostępnych głównie w podręczniku użytkowania silnika, tj. np.
średnica cylindra, skok tłoka, stopień sprężania, kąt otwarcia i zamknięcia poszczególnych
zaworów,
opóźnienie
zapłonu,
współczynnik
nadmiaru
powietrza,
rodzaj
zapłonu
i podstawowe informacje na jego temat,
- wyniki obliczeń zbieżne z rzeczywistymi pomiarami gazów spalinowych,
- czas trwania obliczeń od kilku godzin do kilku dni (w modelu dotychczasowym minimum
kilka tygodni),
- możliwość symulacji pracy wszystkich cylindrów silnika.
GRI Mech 3.0 zawiera w sobie 325 elementarnych reakcji charakterystycznych dla spalania
gazu ziemnego. Profesor David Goodwin wykorzystał go w stworzonym przez siebie
programie Cantera, który jest zestawem obiektowych narzędzi programowych związanych
z kinetyką, termodynamiką oraz transportem. Łącząc odpowiednie elementy można tworzyć
bardzo złożone struktury, w tym także silnik spalinowy. Dodatkowo należy podkreślić, że
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Cantera to oprogramowanie typu open-source, a więc dostępne także dla innych badaczy
i naukowców oraz przez nich sukcesywnie ulepszane.
Program ten będzie idealnie sprawdzał się w przypadku prowadzenia optymalizacji procesu
spalania w silnikach już działających. W ciągu kilku dni, w dowolnym miejscu w kraju można
za pomocą przenośnego komputera i analizatora spalin wykonać pomiary, następnie
przeprowadzić obliczenia oraz dokonać wstępnej optymalizacji procesu spalania.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego