Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék. Gázmotor mérési segédlet

Átírás

1 Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Gázmotor mérési segédlet 2009

2 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

3 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 mm 2,68 liter 82 kw MARELLI CX IM B3 180M típusú aszinkron generátor: Teljesítmény: 26,4 kw Fordulatszám: 1500 ford/perc Pólusok száma: 4 Feszültség: 400 V Frekvencia: 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 (P e ). 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

4 tetszılegesen változtatni 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 /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 (P e ) 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 (Q hasznos ): Q hasznos = c * m& *(T - T ) ; m V ρ víz víz víz,ki víz, be = * ahol a hıcserélıbe belépı víz tömegáramát (m víz ) a térfogatáram-mérı segítségével, a víz kilépı és belépı hımérsékletet két ellenállás-hımérı segítségével mérjük. Fontos paraméter a motor hatásfoka, illetve az összhatásfok: η e = = Q BH & B = tüzelıanyag fogyasztás H i = főtıérték P e = villamos teljesítmény η ö + Q = Q be be hasznos + Q = BH & i hasznos i 4

5 ehhez a gáz térfogatáramát kell mérni. c víz = 4,18 kj/(kgk) H i,földgáz = 34 MJ/Nm 3 ρ víz = 1000 kg/m 3 ρ földgáz = 0,7 kg/m 3 MÉRÉS A mérés során a motor villamos teljesítményét (P e ), hatásfokait (η e, η ö ), a NO x, CO és THC kibocsátását határozzuk meg a légfelesleg tényezı függvényében. A mérés kezdetén két szélsı ot 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 NO x, 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 ot, 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

6 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 NO x kibocsátás szemjából fontos. Célszerő C között +/-5 C ossággal tartani. A jegyzıkönyvben mind táblázat, mind diagram formájában a motor villamos és hıteljesítményét (Q h, P e ), hatásfokait (η e, η ö ), a NO x, CO és THC kibocsátását határozzuk meg a légfelesleg tényezı függvényében 6

7 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 szemjából? 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 O 2 koncentrációt? 13. Hogyan mérjük a CO koncentrációt? 14. Hogyan mérjük a NO x koncentrációt? 15. Hogyan mérjük a THC koncentrációt? 16. Hogyan keletkezik a CO kibocsátás, milyen tényezık befolyásolják? 17. Hogyan keletkezik a NO x kibocsátás? 18. Hogyan keletkezik a THC kibocsátás? MÉRÉSI ADATOK Mérési (kw) T víz,be (ºC) T víz,ki (ºC) NO x (ppm) CO (ppm) CH 4 (ppm) O 2 (tf%) λ ( ) víz V t gáz V t 1. vég 2. vég 1. köztes 2. köztes 3. köztes 7