Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék
Gázmotor mérési segédlet
2009
A MÉRÉSEN VALÓ RÉSZVÉTEL FELTÉTELEI, BALESETVÉDELEM A mérés során érvényesek a laborbevezetın elhangzott általános tőz és munkavédelmi elıírások. A mérés során a fülvédı használata kötelezı, amit a biztosítunk. A mérésen az vehet részt aki: - hosszú haját összefogja, - illetve sapkát vesz, vagy fejét kendıvel beköti. Továbbá javasolt: - lapos talpú cipıben, nadrágban megjelenni, - a balesetveszélyes ékszereket levenni.
2
GÁZMOTOROS KOMBINÁLT CIKLUS MÉRÉS A MÉRÉS CÉLJA: Megismerni egy gázmotoros kombinált ciklusú (villamos- és hıenergia) energiatermelı rendszert. Mérni annak teljesítményét és hatásfokát, valamint károsanyag (NOx, CO, THC) kibocsátást a légfelesleg tényezı függvényében. A LABORATÓRIUMI GÁZMOTOROS MÉRİ RENDSZER: WISCON TOTAL TM27 típusú gázmotor: Teljesítmény: Fordulatszám: Hengerek, száma-elhelyezés Henger átmérıje x löket Hengerek őrtartalma Üzemanyag fogyasztás
24,6 kW 1500 ford/perc 4-soros 91 mm x 103.2 mm 2,68 liter 82 kW
MARELLI CX IM B3 180M típusú aszinkron generátor: Teljesítmény: Fordulatszám: Pólusok száma: Feszültség: Frekvencia:
26,4 kW 1500 ford/perc 4 400 V 50 Hz
A gázmotor egy hagyományos négyütemő Ottó-motor, amely gázhalmazállapotú tüzelıanyag
1. ábra. A gázmotoros mérırendszer elvi felépítése felhasználására terveztek. Az üzemeltetéshez használt tüzelıanyag és annak elégetéséhez szükséges levegı keverékét egy úgynevezett membrános karburátor hozza létre. A gázmotor gázellátását a laboratóriumban rendelkezésre álló földgázhálózatról oldottuk meg. A motor teljesítményét az Ottó-motorokra jellemzı módon a hengerekbe jutó keverék mennyiségét szabályozva a pillangószelep segítségével lehet változtatni. A motor fıtengelye egy aszinkron generátort forgat, amely villamos teljesítményt szolgáltat (Pe). A motor állandó fordulatszámon tartását (fordulatszám szabályzását) a frekvenciaváltó végzi. A frekvenciaváltó képes a hálozati (belépı) feszültség 50 Hz-es frekvenciáját a kilépı oldalon
3
tetszılegesen változtatni 0-400 Hz között. Egy aszinkronmotor fordulatszámát ennek segítségével lehet változtatni . A vizsgált rendszer esetében a frekvenciaváltó a fékelektronika segítségével szabályozza és meghatározott értéken tartja a rendszer (motor-generátor) fordulatszámát. Indítás során amikor a frekvencia növelésével motor eléri a 760 körüli 1/perces fordulatszámot a kapcsolószekrény engedélyezi a gázszelep nyitását és a gyújtást. Miután a gázmotor felgyorsul az 1500 1/perces fordulatszámra és a generátor rendeltetésszerően elkezd villamos energiát termelni, ebben az esetben egy fékáramkör és egy ellenállás segítségével szintén a frekvenciaváltó fékezi a generátor, azaz tartja állandó fordulatszámon. A generátor villamos teljesítményének (Pe) mérését a frekvenciaváltó végzi. A kombinált ciklusú egység hıenergia termelést is végez. Erre a célra a motor több hıcserélıvel van felszerelve, ezek a hıcserélık a következık;
2. ábra. A gázmotor hőtırendszere és a kialakított mérési helyek motorblokk hıcserélı: a motorban lezajló égési folyamat során a hengerek perselyének (falának) átadódott hıt, a súrlódás miatt keletkezı hıt hasznosítja, füstgázhıcserélı: a füstgáz magas hımérsékletét hasznosítja, kenıolaj hıcserélı: a súrlódás során a kenıolaj felmelegedése során keletkezı hıt hasznosítja. A motor kétkörös hőtırendszerrel van szerelve. A motor hıcserélıiben (motorblokk, olajhőtı, kipufogógázhıcserélı), azaz a belsı körben keringetett glikolos hőtıközeg által felvett hı elvitelére egy folyadék–víz hıcserélı áll rendelkezésre. A hıcserélık által hasznosított hı mennyiségét ennek a hıcserélı segítségével mérhetjük (Qhasznos):
& víz * (Tvíz, ki - Tvíz, be ) ; Q hasznos = c víz * m
•
•
m = V* ρ
ahol a hıcserélıbe belépı víz tömegáramát (mvíz) a térfogatáram-mérı segítségével, a víz kilépı és belépı hımérsékletet két ellenállás-hımérı segítségével mérjük. Fontos paraméter a motor hatásfoka, illetve az összhatásfok: P P ηe = e = e &H Q be B i •
B = tüzelıanyag fogyasztás Hi = főtıérték Pe = villamos teljesítmény ηö =
Pe + Qhasznos Pe + Qhasznos = Qbe B& Hi
4
ehhez a gáz térfogatáramát kell mérni. cvíz = 4,18 kJ/(KgK) Hi,földgáz = 34 MJ/Nm3 ρvíz = 1000 kg/m3 ρföldgáz = 0,7 kg/m3 MÉRÉS A mérés során a motor villamos teljesítményét (Pe), hatásfokait (ηe, ηö), a NOx, CO és THC kibocsátását határozzuk meg a légfelesleg tényezı függvényében. A mérés kezdetén két szélsı pontot határozunk meg. A 3. ábrán látható a légfelesleg tényezı függvényében a mérhetı paraméterek változása. Az ábráról leolvasható, hogy a légfelesleg tényezı növekedésével a motor teljesítménye csökken, egészen addig, amíg a motor már nem képes tengelyteljesítményt leadni, ekkor a frekvenciaváltó az aszinkron generátort átkapcsolja aszinkron motor üzembe, és villamos motorként meghajtja a gázmotort így állandó értéken
3. ábra. A teljesítmény, a hatásfok, a NOx, és CO kibocsátás a légfelesleg tényezı függvényében tartja a fordulatszámot. A fékrendszer üzemét figyelve meg lehet keresni azt a légfelesleget, ahol a motor még éppen (megbízhatóan) mőködik. Ez a beállítás lesz a maximális légfelesleg tényezı helye, ahol a méréseket elkezdjük. A másik szélsı pontot, a legkisebb légfelesleg tényezı, ennek határértékét a CO elemzı mőszer mérési tartomány adja, amely 3 V/V%. Itt egy olyan légfelesleg tényezı értéket kell beállítani, ahol a CO kibocsátás 2-3 V/V% között mozog. Ezután be kell állítani minimum három olyan légfelesleg tényezı értéket, amely a két határ közti tartományt -lehetıleg egyenletesen- lefedi. A mérés során három fontos paramétert kell figyelni: a kenıolajnyomást, a pillangószelep utáni nyomást és a hőtıvíz hımérsékletét. A kenıolaj nyomása nem lehet kevesebb, mint 2 bar. A mérés során fontos, hogy ne a tüzelıanyag-levegı keverék mennyiségét változtassuk, hanem a keverék összetételét. A légfelesleget a beadagolt gáz mennyiségével változtatjuk,
5
mivel állandó fordulatszámon állandó a beszívott levegı mennyisége. Ahhoz hogy a keverék mennyisége állandó legyen a pillangó szelep utáni nyomás (vákuum) értéket kell állandó értéken tartani. A szívótér nyomást 0,6 bar értéken kell tartani, ezt a gázkar mozgató segítségével lehet megoldani. Harmadik fontos paraméter a motor hőtıvíz hımérséklet állandó értéken tartása, ez elsısorban a NOx kibocsátás szempontjából fontos. Célszerő 60-80 °C között +/-5 °C pontossággal tartani. A jegyzıkönyvben mind táblázat, mind diagram formájában a motor villamos és hıteljesítményét (Qh, Pe), hatásfokait (ηe, ηö), a NOx, CO és THC kibocsátását határozzuk meg a légfelesleg tényezı függvényében
6
ÖNÁLLÓ INTERNETES FELKÉSZÜLÉS: Mi az Ottó-motor ? Mi az kombinált ciklus és miért alkalmazzuk ? Mi az aszinkron motor ? Mi a légfelesleg tényezı ? Kérdések: 1. Mi a mérés célja ? 2. Hogyan végezzük el a mérést ? 3. Mi az a légfelesleg tényezı ? 4. Mi a két határ a mérés során a légfelesleg tényezı szempontjából ? 5. Milyen határokat kell betartani és miért ? 6. Mi az a kombinált ciklusú energiatermelı rendszer ? 7. Mi az a frekvenciaváltó, mire használjuk? 8. Hogyan határozzuk meg a hasznos hıteljesítményt és mit kell mérni ? 9. Hogyan határozzuk meg a motor- és összhatásfokot, mit kell mérni ? 10. Hogyan határozzuk meg a mérés során a légfelesleg tényezıt ? 11. Hogyan változtatjuk a motor teljesítményét ? 12. Hogyan mérjük a O2 koncentrációt ? 13. Hogyan mérjük a CO koncentrációt ? 14. Hogyan mérjük a NOx koncentrációt ? 15. Hogyan mérjük a THC koncentrációt ? 16. Hogyan keletkezik a CO kibocsátás, milyen tényezık befolyásolják ? 17. Hogyan keletkezik a NOx kibocsátás ? 18. Hogyan keletkezik a THC kibocsátás ? MÉRÉSI ADATOK Mérési pont
Pe (kW)
Tvíz,be (ºC)
Tvíz,ki (ºC)
NOx (ppm)
CO (ppm)
1. végpont 2. végpont 1. köztes pont 2. köztes pont 3. köztes pont
7
CH4 (ppm)
O2 (tf%)
λ (−)
•
V víz t
•
V gáz t
