Tối ưu hóa quá trình cháy ở các động cơ MAN B&W dòng ME bằng hệ thống giám sát và duy trì áp suất cháy để tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải khí CO2

Bài viết Tối ưu hóa quá trình cháy ở các động cơ MAN B&W dòng ME bằng hệ thống giám sát và duy trì áp suất cháy để tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải khí CO2 trình bày cCác dữ liệu về hiệu suất của động cơ được hiển thị liên tục trên một màn hình, giúp người vận hành nhận biết được các thời điểm cần thiết nhằm điều chỉnh động cơ, đồng nghĩa với việc tiết kiệm đáng kể. Việc cải tiến bằng cách lắp đặt hệ thống tiêu chuẩn này có thể giúp tiết kiệm suất tiêu hao nhiên liệu ở động cơ từ 2 đến 4 g/kWh và tương ứng làm giảm phát thải khí CO2. Mời các bạn cùng tham khảo!

Kỷ yếu Hội thảo khoa học cấp Trường 2022 Tiểu ban Cơ khí động lực Tối Ưu Hóa Q Trình Cháy Ở Các Động Cơ MAN B&W Dòng ME Bằng Hệ Thống Giám Sát Và Duy Trì Áp Suất Cháy Để Tiết Kiệm Nhiên Liệu Và Giảm Phát Thải Khí CO2 Nguyễn Duy Trinh Viện Hàng hải Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam trinh.nguyen@ut.edu.vn Trần Hồng Thanh Viện Hàng hải Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam thanh.tran@ut.edu.vn Tóm tắt- Sự mài mịn chi tiết động cơ, thay đổi điều kiện môi trường xung quanh thay đổi chất lượng nhiên liệu cung cấp ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ, dẫn đến mức tiêu hao nhiên liệu mài mòn động tăng cao Việc giám sát liên tục động giúp khắc phục hiệu cố xảy ra, nhiên khó khăn tiêu tốn nhiều thời gian xử lý thủ công Hệ thống tự động giám sát trì áp suất trình cháy (PMI Auto-tuning) giải pháp cho việc đo lường, điều chỉnh áp suất cháy động hãng MAN B&W dịng ME, cho phép tự động điều chỉnh áp suất cháy cực đại theo thay đổi điều kiện môi trường xung quanh đặc tính nhiên liệu sử dụng, giúp q trình cháy bên động đạt đến trạng thái tối ưu, làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu phát thải khí CO2 Hệ thống PMI giúp dễ dàng giám sát khắc phục cố liên quan đến trình cháy bên động Các liệu hiệu suất động hiển thị liên tục hình, giúp người vận hành nhận biết thời điểm cần thiết nhằm điều chỉnh động cơ, đồng nghĩa với việc tiết kiệm đáng kể Việc cải tiến cách lắp đặt hệ thống tiêu chuẩn giúp tiết kiệm suất tiêu hao nhiên liệu động từ đến g/kWh tương ứng làm giảm phát thải khí CO2 I GIỚI THIỆU Hệ thống PMI hệ thống đo lường điều chỉnh bán tự động hoàn toàn tự động áp suất cháy bên động hãng MAN B&W Hệ thống xây dựng dựa thiết lập bao gồm: Một cụm giám sát áp suất xi lanh (cylinder) động (áp suất nén Pc, áp suất cháy cực đại Pmax) thông qua đầu cảm biến áp suất lắp cố định xi lanh Sau đó, liệu áp suất đo sử dụng để tự động cân điều chỉnh động Hệ thống PMI Auto-tuning lắp đặt sử dụng cho loại động hai kỳ MAN B&W điều khiển điện tử (các dòng ME, ME-C, MEB ), hệ thống điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu độ mở xupap (poppet valve) xả để đảm bảo áp suất xi lanh xác II PHÂN TÍCH Các động có tính tự chỉnh thường xuyên làm việc phạm vi giới hạn khuyến cáo nhà chế tạo động áp suất cháy cực đại thường đạt mức thấp Kết làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu tăng phát thải khí CO2 Thơng thường, tăng bình quân bar áp suất cháy cực đại Pmax, giúp làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu động từ 0,20 đến 0,25 g/KWh Do đó, cần thiết phải liên tục điều chỉnh động trạng thái làm việc tối ưu Từ khóa-Hệ thống tự động giám sát trì áp suất trình cháy, cải tiến động MAN B&W, giám sát áp suất xi lanh 41 Nguyễn Duy Trinh, Trần Hồng Thanh Hình Sơ đồ bố trí hệ thống hệ thống PMI 100 Tốc độ động v/p 80 bar 20 70 18 16 Áp suất có ích bình qn MEP 90 140 Áp suất cháy cực đại 130 120 Áp suất xy lanh 14 bar(abs) 150 12 110 bar(abs) Áp suất nén 90 deg C 450 400 Nhiệt độ khí xả vào tuabin 350 400 Nhiệt độ khí xả khỏi tuabin Nhiệt độ khí xả Áp suất gió quét 170 Suất tiêu hao nhiên liệu SFOC 250 g/kWh 180 160 150 50 % 75 % 100% 1555 2333 3110 Tải kW/xy lanh Hình Đồ thị đặc tính động MAN B&W 42 P scav 100 Tối ưu hóa q trình cháy động MAN B&W dòng ME … III KẾT CẤU HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH PMI Hệ thống tự động điều chỉnh PMI hồn chỉnh bố trí sơ đồ hình Hình Hệ thống tự động điều chỉnh PMI Hệ thống tự động điều chỉnh PMI chia thành hai cụm Cụm thứ có chức ghi liệu, giám sát phân tích áp suất động cơ, đó, cụm thứ hai có chức điều khiển điều chỉnh thời điểm phun nhiện liệu động thời gian đóng xupap xả Hình Cảm biến áp suất lắp cố định nắp xi lanh cháy bên động Từ giao diện hệ thống này, hiệu suất làm việc động giám sát kiểm tra, bao gồm việc giám sát chu trình cháy thực tế diễn bên động chiều hướng giá trị áp suất xi lanh động áp suất cháy cực đại Pmax, áp suất nén Pcomp áp suất có ích bình qn Pi Các giá trị áp suất sau chuyển đến hệ thống MOP-B cụm thứ hai qua kết nối mạng Cụm thứ gồm thu thập liệu DAU (Data Acquisition Unit) kết hợp với hệ thống MOP-S (Service Main Operating Panel) Bộ DAU có chức thu thập liệu áp suất cháy bên động chu trình làm việc thơng qua cảm biến gắn cố định nắp xi lanh động chuyển tiếp liệu tới hệ thống MOP-S Hệ thống MOP-S cài đặt sẵn chương trình PMI để ghi liệu, giám sát phân tích q trình 43 Nguyễn Duy Trinh, Trần Hồng Thanh Hình Bộ thu thập liệu (PMI-DAU) bên động Từ giao diện này, hiệu suất động điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu vào buồng đốt động thời gian đóng xupap xả Cụm thứ hai gồm Hệ thống MOP-B (Back-up Main Operating Panel) điều khiển động (Engine Control Units) Hệ thống MOP-B chứa hệ thống điều khiển động theo giao diện người dùng, bao gồm lệnh điều khiển thay đổi trình cháy Hình Mạng kết nối hệ thống MOP-S MOP-B IV PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHỈNH HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ A Tự động điều chỉnh liên tục Áp suất xi lanh liên tục giám sát hiệu chỉnh hệ thống điều khiển động khơng có can thiệp người vận hành Chế độ thích hợp để điều chỉnh mức áp suất cháy cực đại bình quân Pmax xi lanh phải đảm bảo mức áp suất thực tế điều chỉnh liên tục theo đặc tính khai thác động Ví dụ, hệ thống tự động thích ứng với thay đổi đặc điểm nhiên liệu sử dụng cách điều chỉnh lại mức Pmax trung bình để trì thơng số làm việc động Điều chỉnh trình cháy bên động để đạt hiệu suất cao bao gồm hai giai đoạn điều chỉnh  Giai đoạn thứ nhất: Điều chỉnh cân áp suất xi lanh động để giảm thiểu độ chênh lệch áp suất xi lanh so với giá trị áp suất bình quân;  Giai đoạn thứ hai: Điều chỉnh áp suất bình quân xi lanh để đảm bảo động làm việc mức áp suất yêu cầu (thiết kế) Để thực thao tác điều chỉnh trên, hệ thống điều khiển động thực ba chế độ điều chỉnh sau: 44 Tối ưu hóa q trình cháy động MAN B&W dịng ME … Hình Giai đoạn điều chỉnh cân áp suất xi lanh Trong chế độ này, điều chỉnh tự động xảy trình khai thác động trạng thái ổn định an toàn, phạm vi điều chỉnh hẹp so với chế độ tự động người vận hành điều khiển chế độ điều khiển tay Hình Giai đoạn điều chỉnh áp suất bình qn B Người dùng kiểm sốt tự động V GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC MÀN HÌNH MOP-S Áp suất xi lanh điều chỉnh tự động lần, người dùng nhấn nút lệnh điều khiển Chế độ thích hợp để điều chỉnh cân động điều chỉnh mức áp suất bình quân thực điều chỉnh động hoạt động trạng thái ổn định Từ hình bảng menu hệ thống MOP-S, người vận hành cài đặt cấu hình cho hệ thống đo PMI, giám sát thực tế giá trị áp suất xi lanh tất xi lanh áp suất cháy cực đại Pmax, áp suất nén Pcomp, áp suất có ích bình qn pi, cũng cơng suất có lợi ước tính động Ne, thơng qua đồ thị đường cong áp suất theo thời gian thực bảng giá trị áp suất xi lanh động C Điều khiển tay Áp suất xi lanh điều chỉnh tay thông qua thay đổi gia tăng người vận hành thực Chế độ nhằm mục đích điều chỉnh áp suất xi lanh động cơ, hệ thống tự động điều chỉnh PMI không sử dụng 45 Nguyễn Duy Trinh, Trần Hồng Thanh Hình Giám sát áp suất xi lanh từ đồ thị Áp suất – Góc quay trục khủy Hình 10 Giám sát áp suất xi lanh động từ bảng giá trị VI GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC MÀN HÌNH MOP-B Các chức tự động điều chỉnh bao gồm chế độ tự động giám sát liên tục chế độ tự động người dùng điều khiển, phép thực động hoạt động điều kiện cụ thể, ví dụ tải động phải ổn định để điều chỉnh áp suất xi lanh cách an tồn Màn hình giao diện hệ thống MOP-B hiển thị áp suất bình quân thực tế độ lệch áp suất xi lanh động Nếu giá trị vượt giới hạn độ lệch đề xuất, biểu thị dạng biểu tượng thay đổi theo màu sắc 46 Tối ưu hóa q trình cháy động MAN B&W dịng ME … Hình 11 Giao diện hệ thống MOP-B Thông báo “Cho phép điều chỉnh” hiển thị Thơng tin phía động chạy điều kiện cho phép tự động điều chỉnh Việc điều chỉnh động bao gồm: mức truy cập Chief (Máy trưởng), sau ấn chọn Process Adjustment, chọn tab Auto Tuning Gửi lệnh để điều chỉnh cân tất giá trị áp suất (Pmax, Pcomp Pi) cách chọn bảng độ lệch tương ứng, sau nhấn nút lệnh phía cơng cụ Sử dụng chức cần, ví dụ sau thay đổi tải động A Tự động điều chỉnh cân giá trị áp suất Để bật chế độ điều chỉnh cân giá trị áp suất xi lanh động cơ, cần đảm bảo hệ thống Hình 13 Điều chỉnh độ lệch Pcomp xi lanh 47 Nguyễn Duy Trinh, Trần Hồng Thanh  Điều chỉnh cân độ lệch áp suất Pmax;  Điều chỉnh cân độ lệch áp suất Pcomp;  Điều chỉnh cân độ lệch áp suất Pi;  Điều chỉnh cân độ lệch tất giá trị áp suất Pmax, Pcomp, Pi Hình 14 Điều chỉnh độ lệch Pi xi lanh Hình 15 Điều chỉnh độ lệch tất áp suất xi lanh B Điều chỉnh liên tục áp suất Pmax bình quân Adjustment (1), chọn tab Auto Tuning (2), chọn bảng điều khiển Pmax bình quân tương ứng (3) để điều chỉnh nhấn nút lệnh “On” (4) cơng cụ phía Khuyến cáo nên chạy động chế độ lúc Để bật chế độ điều chỉnh liên tục áp suất Pmax bình quân, cần đảm bảo hệ thống mức truy cập Chief (Máy trưởng), sau ấn chọn Process 48 Tối ưu hóa q trình cháy động MAN B&W dịng ME … Hình 16 Chế độ điều chỉnh liên tục Pmax bình quân Hình 17 Cách thức điều chỉnh thay đổi Pmax bình quân theo giá trị Pmax yêu cầu (thiết kế) C Điều chỉnh sai lệch áp suất bình quân Pmax nhấn nút lệnh “Pmax” cơng cụ phía để điều chỉnh giảm sai lệch áp suất bình quân Pmax giá trị Pmax theo yêu cầu (thiết kế) Tương tự mục trên, chọn bảng điều khiển độ lệch áp suất bình quân Pmax tương ứng để điều chỉnh Hình 18 Chế độ điều chỉnh sai lệch Pmax bình quân 49 Nguyễn Duy Trinh, Trần Hồng Thanh D Điều chỉnh sai lệch áp suất bình quân Pcomp nút lệnh “Pmax” cơng cụ phía giảm sai lệch áp suất bình quân PComp giá trị PComp theo yêu cầu (thiết kế) Tương tự mục C trên, chọn bảng điều khiển độ lệch áp suất bình quân PComp để điều chỉnh nhấn Hình 19 Chế độ điều chỉnh sai lệch PComp bình qn  Giảm lượng phát thải khí CO2 từ động cơ; VII KẾT LUẬN Với việc trang bị hệ thống tự động điều chỉnh PMI cho động MAN B&W dòng series ME, để theo dõi, giám sát liên tục sai lệch giá trị áp suất xi lanh động áp suất cháy cực đại Pmax, áp suất nén Pcomp, áp suất có ích bình qn Pi, từ liên tục điều chỉnh giảm sai lệch để đưa giá trị áp suất thực tế với giá trị áp suất tối ưu mong muốn Các lợi ích từ việc trang bị hệ thống PMI mang lại sau:  Việc lắp đặt hệ thống không yêu cầu tàu phải lên ụ tiến hành công việc dịch vụ bình thường khác  Loại bỏ khả sai sót người nhờ việc điều chỉnh tự động thông số Qua kinh nghiệm thực tế cho thấy, tăng áp suất cháy cực đại bình quân Pmax lên bar, giúp làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu động khoảng từ 0,20 đến 0,25 g/KWh Khả tăng áp suất Pmax chế độ tồn tải hay chế độ tải thơng thường khác động đến đạt mức 10 bar Nếu lắp đặt hệ thống tự động điều chỉnh PMI cho động MAN B&W 12K98ME, thuộc loại động kỳ, 12 xi lanh, đường kính xi lanh 980 mm, cơng suất 74.760 KW Khi đó, 10 bar tăng suất Pmax giúp làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu 2,5 g/KWh, tương ứng động tiết kiệm được: 74.760 x 2,5  4,5 / ngày [4] Đối với tàu chở dầu thô Aries Voyager, liệu từ công ty Chevron [4] cho thấy khác biệt lớn tiêu hao nhiên liệu trước sau lên ụ Trước lên ụ, động trang bị tàu MAN B&W 6S90ME-C, tiêu thụ 106,4 nhiên liệu ngày với tốc độ khai thác 14,2 hải lý/giờ Sau rời ụ, với tốc độ yêu cầu trên, động tiêu hao 84 nhiên liệu ngày, giảm đáng kể mức 20% Chevron ước tính  Tối ưu hóa việc tiết kiệm suất tiêu hao nhiên liệu động cơ;  Không cần điều chỉnh động theo thay đổi trong điều kiện khai thác vùng lạnh giá khí hậu ấm áp Động điều chỉnh tự động để đáp ứng thay đổi nhiên liệu sử dụng;  Giảm bớt khối lượng công việc điều chỉnh thủ công người vận hành chúng điều chỉnh tự động;  Giúp động tránh bị tải, gây hư hỏng ứng suất nhiệt;  Cải thiện hiệu suất khai thác hiệu suất làm việc động cơ;  Giảm chi phí bảo dưỡng động tăng độ tin cậy hoạt động; 50 Tối ưu hóa q trình cháy động MAN B&W dòng ME … khoảng nửa số tiết kiệm nhiên liệu đến từ việc cải tiến động cách trang bị hệ thống tự động điều chỉnh PMI, nửa lại đến từ việc cải tiến chân vịt làm thân vỏ tàu Dữ liệu thu thập từ ba tàu còn lại Chevron Arcturus Voyager, Aqaurius Voyager Antares Voyager, tất tàu trang bị động MAN B&W 6S90ME-C, cũng đã xác nhận tầm quan trọng việc liên tục điều chỉnh động Trên ba tàu này, dấu hiệu cải thiện quan trọng sau cải tiến lắp đặt hệ thống tự động điều chỉnh PMI lượng tiêu hao nhiên liệu giảm 8,6% so với ban đầu [4] Hình 20 Đồ thị so sánh Lượng tiêu hao nhiên liệu/Tốc độ tàu tàu Aries Voyager sau lắp đặt hệ thống tự động điều chỉnh PMI [3] MAN Diesel & Turbo, “PMI Auto-tuning – PrimeServ Retrofitting”, MAN Energy Solutions, Augsburg, Germany, 2010 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] MAN Diesel, “PMI Auto-tuning operation – User’s reference Guide”, JBS/LDE4, MAN SE, Augsburg, Germany, 2011 [4] MAN Energy Solutions, “Saving 22 tonnes of fuel per day with PMI”, Augsburg, Germany, 2018 [2] MAN Diesel & Turbo, “PMI & CoCoS-EDS”, MAN Energy Solutions, Augsburg, Germany, 2012 [5] A.Wiesmann, “Slow Steaming – A viable long-term option”, Wärtsilä Technical Journal, Vol.February, pp 49-55, 2010 51 ... tính động MAN B&W 42 P scav 100 Tối ưu hóa q trình cháy động MAN B&W dòng ME … III KẾT CẤU HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH PMI Hệ thống tự động điều chỉnh PMI hồn chỉnh bố trí sơ đồ hình Hình Hệ thống. .. hỏng ứng suất nhiệt;  Cải thiện hiệu suất khai thác hiệu suất làm việc động cơ;  Giảm chi phí bảo dưỡng động tăng độ tin cậy hoạt động; 50 Tối ưu hóa q trình cháy động MAN B&W dòng ME … khoảng... động điều chỉnh PMI cho động MAN B&W dòng series ME, để theo dõi, giám sát liên tục sai lệch giá trị áp suất xi lanh động áp suất cháy cực đại Pmax, áp suất nén Pcomp, áp suất có ích bình qn Pi,