Sprawozdanie 6 - Politechnika Częstochowska

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA
WYDZIAŁ INŻYNIERII MECHANICZNEJ I INFORMATYKI
Instytut Maszyn Tłokowych i Techniki Sterowania
Laboratorium: Środowiskowe oddziaływanie motoryzacji
Imię i nazwisko
Rok
Grupa
Ćwiczenie nr 6
Toksyczność spalin stacjo………………………………
………
………
narnego silnika biogazowe- Data wykonania
Podpis prowadzącego Ocena
go 8A20G
………………………………
……………………
……………
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest pomiar toksyczności spalin stacjonarnego silnika biogazowego
8A20G wg testu D2 oraz określenie poziomu emisji substancji toksycznych w stosunku do
przepisów TA-Luft 86
Aparatura pomiarowa
• Silnik biogazowy 8A20G;
• Zestaw analizatorów firmy SIGNAL (NOx, O2, THC) oraz firmy SERVOMEX (CO2 i
CO);
• Rejestratory cyfrowe DLM-80;
• Układy do pomiaru podstawowych parametrów pracy silnika biogazowego.
Program ćwiczenia
• Przygotować silnik gazowy do wykonania pomiarów
• Przygotować zespół analizatorów spalin do pracy
• Uruchomić zespół rejestratorów cyfrowych DLM-80 do rejestracji pomiarów - rejestracja co 10s.
• Przeprowadzić pomiary poszczególnych parametrów pracy silnika (wg wskazówek
prowadzącego)
• Pomiary należy prowadzić po ustabilizowaniu warunków termicznych silnika dla
zadanych poziomów mocy (10%=60kW, 25%=150kW, 50%=300kW, 75%=450kW,
100%=600kW. Silnik winien pracować z zadaną mocą przynajmniej przez 5 min
• Po zakończeniu serii pomiarowych należy transmitować dane z rejestratorów
DLM80 do komputera. Do obliczeń należy wykorzystać uśrednione dane za okres
ostatniej minuty w danej serii pomiarowej.
• Wykonać stosowane obliczenia z wykorzystaniem zależności podanych na końcu
opracowania – można wykorzystać program komputerowy Tleza.exe
• Wyniki zestawić w tabelach i ocenić toksyczność silnika 8A20G w stosunku do zaleceń TA-Luft 86.
• UWAGA!!!!. Warunki prowadzenia pomiarów – hałas, temperatura, etc. wymagają
bezwzględnego przestrzegania zaleceń prowadzącego zajęcia. W sprawozdaniu nie
zamieszczać stron z wzorami koniecznymi do przeprowadzenia koniecznych obliczeń.
1
Schemat stanowiska pomiarowego
(rysunek samodzielny)
2
EMISSION MEASSURMENTS
Engine Type
IMTiTS P.Cz.
Power kWmech
No. of cyl.
640
8AL20G
Engine no
RPM
Fuel
1000
3
Hu MJ/m -Wet
BIOGAZ
Turbocharger
Bore mm
8
H2 %
Stroke mm
200
CH4 %
Comp Ratio
240
N2 %
Density kg/m3
8.67
O2 %
CO2 %
22.996
Diffuser cm2
Nozzle cm2
RR151
Generator
Date
SCF400Y6
Comments
TEST
Load
%
Load
kWele
Load
kWmech
Engine speed
Ambient temperature
Ambient pressure
rpm
o
C
kPa
Relative humidity
%
Absolute humidity
g/kg
Air temp before mixer
o
Fuel temp before mixer
o
Mix temp before compressor
o
Mix temp before cooler
o
Mix temp before cylinder
o
Exhaust temp before turbine
o
Exhaust temp after turbine
o
Turbocharger speed
C
C
C
C
C
C
C
rpm
Water tem before charge mix cooler
o
Water tem after charge mix cooler
o
Water tem before engine
o
Water tem after engine
o
Oil pressure
bar
Oil tem before engine
o
Oil tem after engine
o
Charge mix pressure
Charge mix pressure (rel to atm)
C
C
C
C
C
C
kPa
-
Fuel consumption
m3/h
Air consumption
m3/h
Fuel consumption
m3/kWh
Relative air fuel ratio
(m3/h)/(m3/h)
Volumetric efficiency
Burn mean pressure
Exhaust mean temp
Effective mean pressure
100
MPa
o
C
MPa
Oxygen (O2) -Dry
%
CO2 -Dry
%
NOx -Dry
ppm
3
75
50
25
10
CO -Dry
%
THC -Dry
ppm
Particulate matter (PM)
NMHC -Dry
mg/mn3
ppm
NOx
g/kWh
CO
g/kWh
THC
g/kWh
NMHC
g/kWh
PM
g/kWh
CO2
g/kWh
NOx (5%O2)
g/mn3
CO - (5%O2)
g/mn3
THC - real
g/mn3
NMHC - real
g/mn3
PM
g/mn3
-
-
-
-
-
CO2
g/mn3
-
-
-
-
-
D2
D1
D2
D1
NOx (5%O2)
g/mn
3
g/kWh -real
CO - (5%O2)
g/mn3
g/kWh -real
3
THC - real
g/mn
NMHC - real
g/mn3
g/kWh
PM
g/mn3
-
-
g/kWh
-
-
CO2
g/mn3
-
-
g/kWh
-
-
g/kWh
4
Tabela pomiarowa – pola „szare” należy wypełnić w czasie badań
Sprawność mech.
FAZA
0.94
100%
nsilnika
1/min
nturbiny
1/s
nturbiny
1/min
bo
RH
kPa
%
xpowietrza
g/kg
totoczenia
o
tpow
o
EMISJA THC
75%
50%
C
C
ppow
mmH20
ppow
kPa
Vpowietrza
m3/h
Vpowietrza
m3n/h
o
tg
C
pgazu
mbar
pgazu
kPa
Vgazu
m3/h
Vgazu
m3n/h
o
tmieszanki
pmieszanki
C
kPa
toleju
o
C
toleju - przed chł.
o
C
toleju-za chł.
o
C
Nel
kW
Nefektywne
kW
3
ge
CO
m n/kWh
ppm
NOx
THC
ppm
ppm
O2
ppm
ρpow
kg/m3
(Gpi)n
kg/h
CH4 w paliwie
%
ρgazu
kg/m3
(Gei)n
kg/h
Vsi
m3/h
Vsi'
m3/h
(Gsi)n
kg/h
'
(Gpi)n
Wartości pomocnicze
kg/h
Ai
Bi
5
25%
10%
KHi
βi
ECOi
g/h
ENOi
g/h
ETHCi
g/h
∆ECOi
%
∆ECOi
g/h
∆ENOi
%
∆ENOi
g/h
∆ETHCi
%
∆ETHCi
Waga
g/h
D2
0.05
0.25
εCO
g/kWh
∆ε
εNO
g/kWh
∆εNO
εTHC
g/kWh
∆εTHC
6
0.30
0.30
0.10
Wnioski:
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
7
Zestawienie wzorów do obliczeń emisji substancji toksycznych silnika 8A20G.
1. Dane stałe:
• Prędkość obrotowa silnika
nsilnika
min-1
• Prędkość obrotowa turbiny
nturbiny
s-1
• Ciśnienie otoczenia
bo
kPa
• Wilgotność względna powietrza
RH
%
o
• Temperatura powietrza atmosferycznego totoczenia
C
o
• Temperatura powietrza zasysanego
tpow
C
• Podciśnienie powietrza zasysanego
ppow
mmH2O
• Zużycie powietrza przez silnik
Vpow
m3/h
o
• Temperatura zasysanego gazu
tg
C
• Ciśnienie zasysanego gazu
pgazu
mbar
• Zużycie gazu przez silnik
Vgazu
m3/h
o
• Temperatura mieszanki
tmieszanki
C
• Ciśnienie mieszanki
pmieszanki
kPa
o
• Temperatura oleju
toleju
C
o
• Temperatura oleju przed chłodnicą
toleju przed chł. C
o
• Temperatura oleju za chłodnicą
toleju za chł.
C
• Moc elektryczna zespołu
Nel
kW
• Sprawność mechaniczna zespołu
ηm
• Zawartość tlenku węgla w spalinach
CO
ppm
• Zawartość tlenku azotu w spalinach
NOx
ppm
• Zawartość węglowodorów w spalinach
THC
ppm
• Zawartość węglowodorów niemetanowych w spalinach NMHC- ppm
• Zawartość tlenu w spalinach
O2
ppm
• Rozrzut zmierzonej wartości CO
∆ECO
%
• Rozrzut zmierzonej wartości NOx
∆ENOx
%
• Rozrzut zmierzonej wartości THC
∆ETHC
%
• Rozrzut zmierzonej wartości NMHC
∆ENMHC
%
• Współczynnik kontrakcji molowej
µ
kmol/kmol
• Zawartość wody w spalinach
µH2O
• Udział spalinach suchych/gazu wilgotnego V5TR
2. Obliczenia/przeliczenia
• Prędkość obrotowa turbiny [min-1]
nturbiny [min −1 ] = nturbiny [sec −1 ] ⋅ 60
•
x powietrza [ g / kg ] = 6.22 ⋅ RH ⋅
(b
o
•
xpowietrza
Zawartość wody w powietrzu
-
g/kg
2
4
4.58463 + 0.328818 ⋅ t pow + 0.0116153 ⋅ t pow
+ 0.000135283 ⋅ t 3pow + 4.0368 ⋅10 −6 ⋅ t pow
2
4
⋅ 7.500062 − 4.58463 + 0.328818 ⋅ t pow + 0.0116153 ⋅ t pow
+ 0.000135283 ⋅ t 3pow + 4.0368 ⋅10 −6 ⋅ t pow
ppow
Ciśnienie całkowite powietrza zasysanego
p pow [kPa] = bo +
8
p pow
1000
⋅ 9.08665
-
kPa
)
•
Zredukowane zużycie powietrza przez silnik
Vpow
p pow ⋅1000
273.15
V pow [mn3 / h] = V pow ⋅
⋅
101300 273.15 + t pow
•
Ciśnienie całkowite gazu zasysanego
pgazu
p gazu [kPa] = bo +
•
•
•
p gazu ⋅1000
101300
•
-
m3n/h
Nefektywne
-
kW
N el
η mech
-
m3n/kWh
-
kg/m3
Vgazu [mn3 / h]
N efektywne [kW ]
ρpow
Gęstość powietrza
ρ pow =
kpa
273.15
273.15 + t g
ge
ge =
•
⋅
Moc efektywna zespołu prądotwórczego
Jednostkowe zużycie gazu
-
100
Vgazu
N efektywne [kW ] =
m3n/h
p gazu
Zredukowane zużycie gazu przez silnik
Vgazu [mn3 / h] = Vgazu ⋅
-
p pow [kPa] ⋅1000
287.4 ⋅ (273.15 + t pow )
Zredukowane masowe zużycie powietrza
(Gpi)n -
kg/h
(Gpi ) n = ρ pow ⋅ V pow [mn3 / h]
•
ρ gazu =
•
ρgazu
Gęstość gazu
-
kg/m3
p gazu ⋅1000
95 − CH 4[%]
 CH 4[%]

⋅ 518.77 + 0.05 ⋅ 4121.73 +
⋅188.78 

100
 100

273.15 + t g
(Gei)n -
Zredukowane masowe zużycie gazu
9
kg/h
(Gei ) n = ρ gazu ⋅Vg [mn3 / h]
•
Vsi
Ilość spalin mokrych
-
m3/h
Vsi [m 3 / h] = V pow [mn3 / h] + 0.77 ⋅ (Gei ) n
•
Vsi’
Ilość spalin suchych
-
m3/h
'
Vsi [m 3 / h] = V pow [mn3 / h] − 0.14 ⋅ (Gei ) n
•
•
(Gsi)n -
Masa spalin mokrych
(Gsi ) n = (Gei ) n + (Gpi ) n
(Gsi)n’ kg/h
Masa spalin suchych
'
(Gpi ) n = (Gpi ) n +
•
Wielkość pomocnicza Bi
(Gei ) n
+ 0.0053
'
(Gpi ) n
Wielkość pomocnicza KHi
KH i =
•
1 + Ai ⋅ (7 ⋅ x powietrza
1
− 75) + 1.8 ⋅ Bi ⋅ (273.15 ⋅ t mieszanki − 300)
Wielkość pomocnicza ßi
β i = 1 − 1.85 ⋅
•
1000
(Gei ) n
+ 0.0038
'
(Gpi ) n
Bi = −0.116 ⋅
•
(Gpi ) n ⋅ x powietrza
Wielkość pomocnicza Ai
Ai = 0.044 ⋅
•
kg/h
(Gei ) n
(Gpi ) n
Emisja CO
ECO [ g / h] = 0.00125 ⋅ CO[ ppm] ⋅ Vs' [m 3 / h]
•
Emisja NOx
E NOx [ g / h] = 0.00205 ⋅ NOx [ ppm] ⋅Vs [m 3 / h] ⋅ KH
•
Emisja THC
ETHC = 0.000618 ⋅ THC[ ppm] ⋅ V s [m 3 / h]
•
Emisja NMHC
E NMHC = 0.000618 ⋅ NMHC[ ppm] ⋅ Vs [m 3 / h]
10
•
Rozrzut zmierzonej wartości CO
∆ECO
•
∆ECO [ g / h] = ∆ECO [%] ⋅ 0.00125 ⋅ CO[ ppm] ⋅ Vs' [m 3 / h]
Rozrzut zmierzonej wartości NOx
∆ENOx
∆E NO x [ g / h] = ∆E NOx [%] ⋅ 0.00205 ⋅ NOx [ ppm] ⋅Vs [m 3 / h] ⋅ KH
•
Rozrzut zmierzonej wartości THC
∆ETHC
•
∆ETHC [ g / h] = ∆ETHC [%] ⋅ 0.000618 ⋅ THC[ ppm] ⋅ Vs [m 3 / h]
Rozrzut zmierzonej wartości NMHC
∆ENMHC
∆E NMHC [ g / h] = ∆E NMHC [%] ⋅ 0.000618 ⋅ NMHC[ ppm] ⋅ Vs [m 3 / h]
•
Emisja substancji toksycznych wg danego testu
a. Wagi udziału obciążenia silnika w „emisji”
100%
75%
50%
Test/Obciążenie
D2
0.05
0.25
0.3
D1
0.3
0.5
0.2
25%
0.3
0
∑ waga ⋅ E
[ g / kWh ] =
∑ waga ⋅ N
i
εx
10%
0.1
0
xi
i
i
efektywnei
i
•
Sumaryczna emisja danej substancji toksycznej
ε x = ε x + ∆ε x
(Dla silników gazowych brak przepisów normatywnych, z którymi można porównać wyliczone
wartości wg testu D2 i D1)
3. Obliczenia emisji substancji toksycznych wg przepisów TA-Luft86 – odnoszą się tylko dla pełnej mocy
•
Emisja odniesiona do jednostki objętość gazów
ε x [ g / mn3 ] =
•
ε x [ g / h]
Vs [mn3 / h]
Ilość spalin mokrych
(
)
Vs [mn3 / h] = V powietrza [mn3 / h] + Vgazu [mn3 / h] ⋅ µ
•
Ilość spalin suchych
Vss [mn3 / h] = Vs [mn3 / h] ⋅ (1 − µ H 2O )
11
•
Emisje przeliczone na zawartość 5%O2 w spalinach
•
ECO [ g / h]
1
⋅
3
Vss [mn / h] 20.95 − O2 [%]
20.95 − 5
E NOx [ g / h]
1
ε NOx ( 5%O2 ) [ g / mn3 ] =
⋅
3
Vss [mn / h] 20.95 − O2 [%]
20.95 − 5
Emisje THC i NMHC nie przelicza się 5% tlenu w spalinach, czyli:
ε CO (5%O ) [ g / mn3 ] =
2
ETHC [ g / h]
Vss [mn3 / h]
E
[ g / h]
ε NMHC [ g / mn3 ] = NMHC 3
Vss [mn / h]
ε THC [ g / mn3 ] =
•
Emisje przeliczone na g/kWh:
 g 
 m3 
 m3 
V
⋅
V
⋅
g
5TR 

3
3 
 h 
 mF 
 mn 
εx
E px [ g / kWh ] =
N el [kW ]
Wielkości normatywne wg zaleceń TA-Luft86
•
•
•
CO5%O2
NOx 5%O2
NMHCreal
Wielkości normatywne wg TA-Luft86
1.00 g/mn3
0.50 g/mn3
0.15 g/mn3
Typ silnika
4-suwowy Silnik
gazowy ZI
Substancja
NOx
CO
NMHC
Wartość graniczna
<0.5g/mn3 (5%O2)
<1.0g/mn3 (5%O2)
<0.15g/mn3 (real)
2 suwowy Silnik
gazowy ZI
NOx
CO
NMHC
NOx
CO
NMHC
PM
<0.8g/mn3 (5%O2)
<0.65g/mn3 (5%O2)
<0.15g/mn3 (real)
<0.5g/mn3 (5%O2)
<0.65g/mn3 (5%O2)
<0.15g/mn3 (real)
<0.05g/mn3 (real)
4-suwowy Silnik
gazowy ZS
12
Warunki
λ=1,
Trzy stopniowy katalizator lub mieszanki
ubogie i doładowanie
mieszanki
SCR – i katalizator
oksydacyjny
SCR – i katalizator
oksydacyjny i filtr
cząstek stałych