(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu biện pháp nâng cao hiệu suất máy phát điện sử dụng biogas

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐỨC THÁI NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG BIOGAS NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN SKC007500 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐỨC THÁI NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG BIOGAS NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ CHÍ KIÊN Tp Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 10 năm 2017 Luan van QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i Luan van ii Luan van iii Luan van iv Luan van v Luan van vi Luan van vii Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: NGUYỄN ĐỨC THÁI Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 21 – 09 – 1983 Nơi sinh: Hải Phòng Quê quán: Hải Phòng Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 13C Ngơ Văn Sở – An Hịa- Rạch giá – KG Điện thoại quan: Điện thoại riêng: 0939712792 Fax: E-mail: ndthai@caodangnghekg.edu.vn II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Cao đẳng: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2005 đến 9/2007 Nơi học (trƣờng, thành phố): Cao Đẳng Sƣ Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long Ngành học: Kỹ Thuật Điện Đại học: Hệ đào tạo: Hoàn chỉnh ĐHTC Thời gian đào tạo từ 09/2011 đến 12/2013 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Nha Trang Ngành học: Điện – Điện Tử Cao học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2016 đến 9/2018 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Điện Tên Luận văn tốt nghiệp: Nghiên Cứu Biện Pháp Nâng Cao Hiệu Suất Máy Phát Điện Sử Dụng Biogas Thời gian & nơi bảo vệ Luận văn: Tháng 10 năm 2017, Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS Lê Chí Kiên Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: Bằng Kỹ Sƣ Điện- Điện Tử Chứng Sƣ phạm bậc 2, cấp Đại Học Nha Trang Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 09/2007 đến 05/2014 Nơi công tác Trƣờng Trung Cấp Nghề Kiên Giang viii Luan van Công việc đảm nhiệm Giáo viên dạy nghề Điện công nghiệp Áp suất giới trung bình Pm chủ yếu phụ thuộc vào số vịng quay trục khuỷu Do tăng số vòng quay trục khuỷu (n tăng) làm cho áp suất giới trung bình Pm tăng dẫn đến m giảm i chủ yếu phụ thuộc vào  Khi tăng số vịng quay trục khuỷu (n tăng) vận động hỗn hợp buồng cháy làm cho trình cháy nhanh, n tăng làm cho truyền nhiệt giảm lọt khí giảm nên i có tăng theo vịng quay trục khuỷu nhƣng khơng nhiều Do trƣờng hợp tải lớn hệ số dƣ lƣợng khơng khí  giảm, thời gian ứng với góc quay trục khuỷu khơng đổi nên làm cho trình cháy kéo dài, pi có tăng nhƣng khơng nhiều i tăng i tăng lên   Lo Ở trƣờng hợp tải bé  tăng làm cho hỗn hợp loãng, áp suất pi giảm làm tỉ số i giảm xuống nhanh làm xấu tính kinh tế động   Lo  Đối với phƣơng pháp điều chỉnh theo lƣợng Ở trƣờng hợp tải bé v giảm nhiều tiết lƣu dịng khí nạp (trở lực bƣớm ga) làm cho áp suất cực đại chu trình giảm Vì vậy, giảm tải theo phƣơng pháp điều chỉnh theo lƣợng đóng bớt bƣớm ga ảnh hƣởng Pm v làm cho m có giảm nhƣng khơng đáng kể i thay đổi liên tục theo áp suất thị trung bình Pi, nhƣng Pi lại phụ thuộc vào chất lƣợng trình cháy xét với loại nhiên liệu định Tức phụ thuộc vào hệ số dƣ lƣợng không khí , mức độ hịa trộn góc đánh lửa sớm Do thời gian cháy nhiên liệu ứng với góc quay trục khuỷu khơng đổi nhiệt độ, áp suất cuối trình cháy giảm liên tục theo chiều tăng  nên làm i giảm liên tục * Kết luận Cả hai phƣơng pháp điều chỉnh có mặt ƣu nhƣợc điểm Để sử dụng ƣu điểm hai phƣơng pháp ta chọn phƣơng pháp điều chỉnh hỗn hợp, tức điều chỉnh theo lƣợng cần điều khiển bƣớm ga hỗn hợp, điều chỉnh theo 67 Luan van chất cách thay đổi lƣợng khí Biogas vào hịa trộn buồng hỗn hợp Việc đƣợc thực nhờ van tiết lƣu đƣờng khí Biogas vào 4.4 Xây dựng đƣờng đặc tính hỗn hợp  Xây dựng đƣờng đặc tính  = f(Phh) Hệ số dƣ lƣợng khơng khí  đƣợc tính:  Trong đó: Gkk G g Lo (4.4 ) Gkk : lƣu lƣợng khơng khí thực tế (kg/s) Gg : lƣu lƣợng khí Biogas (kg/s) Lo : lƣợng khơng khí lý thuyết cần dùng để đốt cháy hết m3 khí Biogas (Kgkk/kg nl) Gọi: fg, g: tiết diện hệ số bóp dịng đƣờng ga vào wg, g: tốc độ mật độ khí Biogas vào fkk,kk: tiết diện hệ số bóp dịng đƣờng khơng khí vào wkk,kk: tốc độ mật độ khơng khí vào Ta có : Gg= g.fg.wg.g (kg/s) Gkk= kk.fkk.wkk.kk (kg/s) Phƣơng trình Becnuli mặt cắt 11 - 22: Wo Pg Phh Wg    (1   d ) 2.g  g  hh 2.g 68 Luan van (4.5 ) Trong đó: đ - tổn thất động dịng khí biogas trở lực đƣờng ống Melăngzơ Bỏ qua tốc độ ban đầu coi: wo= 2.g W Suy ra: g ( Pg  Phh ) 1  g (4.6 ) Phƣơng trình Becnuli mặt cắt 1’1’ - 22: Wo Pkk Phh Wkk    (1   kk ) 2.g  kk  hh 2.g (4.7 ) Trong đó: kk - tổn thất động dịng khơng khí Bỏ qua tốc độ ban đầu:W0= Suy ra: Wkk  2.g Đặt:    1   kk ( Pkk  Phh ) 1   kk (4.8 ) (4.9 ) : hệ số lƣu lƣợng Gkk   kk f kk  kk Ta có: G g   g f g  g Gọi : 2.g  kk 2.g g ( Pkk  Phh ) .( Pg  Phh ) Phh=Pkk-Phh (4.11 ) Pg=Pg-Pkk  Ta có: (4.10 ) (4.12 ) Gkk G g Lo  f  Phh   kk kk kk  g f g Lo  g Phh  Pg 69 Luan van (4.13 )   C Phh Phh  Pg (4.14 )  f  C  kk kk kk  g f g Lo  g Với:  Nếu Phh   C Điều khơng có ý nghĩa thực tế Phh tiến đến   Nếu Pg0 Điều phù hợp với thực tế Dạng đƣờng cong đƣơng cong lồi  Nếu Pg=Phh  Đồ thị biểu thị quan hệ  với Phh nhƣ sau: 4.5 Tính tốn kích thƣớc hỗn hợp 4.5.1 Kiểm nghiệm lại đƣờng kính buồng hỗn hợp d b  a n Vh i n 3500  24,2 0,085.1  13,2 (mm) 1000 1000 Trong đó: an - Hệ số dao động dòng chảy, phụ thuộc vào số xi lanh dùng chung buồng hỗn hợp an= 24,2 Vh - Thể tích công tác xi lanh Vh= 0,085 (dm3) 70 Luan van (4.15 ) i - Số xi lanh i=1 n - Số vòng quay động n= 3500 (v/ph) 4.5.2 Kiểm nghiệm tốc độ khơng khí qua buồng hỗn hợp Vtb  Vh i.n. v  0,085.10 3.1.3500.0,72.1   0,13 (m/s) 4.3,14.750   d b2 750 (4.16 ) Với:  - Số kỳ  = v - Hệ số nạp v= 0,72  - Hệ số qt khí, động =1 4.5.3 Chiều dài buồng hỗn hợp lb= (0,8 ÷ 1,8)db= 1,2.db=1,2.13,2= 15,83 (mm) (4.17 ) 4.5.4 Xác định kích thƣớc họng  Xác định sơ đƣờng kính: dh= (0,6 ÷ 0,8)db = 0,8.db= 0,8 13,2= 10 (mm) (4.18 )  Độ chân không họng 2  k   D  n.i  v  Ph   S    2   d h  120  h  (N/m )   2  1,2  3  51  3500.1 0,72 Ph  42.10     170 (N/m )  12 , 120 ,    (4.19 ) h - Hệ số lƣu lƣợng họng, phụ thuộc vào hình dáng, chất lƣợng họng, số họng h = 0,85 ÷ 0,9 Chọn h = 0,9 k - Khối lƣợng riêng khơng khí trƣớc ống nạp k = 1,1 ÷ 1,2 (kg/m3) Chọn: k = 1,2 (kg/m3)  Tốc độ thực tế khơng khí qua họng Vk   h 2.Ph k  0,9 2.170 = 15,14 (m/s) 1,2 71 Luan van (4.20 )  Lƣu lƣợng không khí qua họng Gk   v Vh n.i 3500.1  k  0,72.0,085.10 3 .1,2 120 120 (4.21 ) = 0,002 (kg/s)  Đƣờng kính xác họng dh  4.Gk 4.0,002  =0,011 (m) = 11 (mm)  Vk  k 3,14.15,4.1,2 (4.22 ) 4.5.5 Tính đƣờng kính lỗ phun  Tiết diện lỗ phun: f  Gnl 24.10 5  = 1,27.10-5 (m2) Vnl  nl 17,9.1,06 (4.23 ) nl: Khối lƣợng riêng khí biogas nl = 1,06 (kg/m3) Gnl: Lƣu lƣợng biogas ứng với công suất cực đại Gnl  Vt  nl 0,838.1,06  = 24.10-5 (kg/s) 3600 3600 (4.24 ) Vt: Mức tiêu hao khí biogas động đạt công suất cực đại Vt = 0,838 (m3/h) Vnl: Tốc độ biogas qua lỗ phun Vnl  2.Ph  nl  2.170 = 17,9 (m/s) 1,06 (4.25 )  Đƣờng kính lỗ phun: d lf  f   4.1,26.10 5 = 0,0035 (m) = 3,5 (mm) 3,14 (4.26 ) Ta lấy: dlf = (mm) 4.6 Chế tạo hỗn hợp Biogas – Khơng khí cho động 4.6.1 Gia công chi tiết Các chi tiết đƣợc gia công phƣơng pháp: Tiện, khoan, mài với độ xác cao, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật hỗn hợp 72 Luan van - Bình chứa khí: Có nhiệm vụ dự trữ biogas đảm bảo cho động hoạt động Hình 4.3 Hình bình chứa khí biogas - Van nạp: Có nhiệm vụ để nạp vào bình khí áp suất bình thấp áp suất sử dụng - Van an toàn: Thực chức an tồn áp suất bình chứa tăng cao vƣợt giới hạn cho phép - Van khơng tải: Có nhiệm vụ đóng, mở tiết diện lƣu thơng khí biogas từ bình chứa đến hỗn hợp chế độ không tải động Để tối ƣu hóa cải thiện tính đại động cơ, van không tải đƣợc thiết kế van chân không, động khởi động van đƣợc mở cho khí biogas theo đƣờng ống dẫn nhờ độ chân không sau bƣớm ga vào hỗn hợp - Van cơng suất: Có nhiệm vụ cung cấp khí biogas chế độ có tải, van cơng suất điều khiển khí thơng qua điều tốc động cơ, điều khiển điện cách so sánh điện đầu máy phát Việc điều khiển nâng cao tính tự động động đảm bảo điện phát ổn định, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu 73 Luan van - Van ngã: Thực phân nhánh nhập nhánh đƣờng ống hỗn dẫn khí biogas vào động cơ, đảm bảo việc cung cấp khí biogas cho chế độ hoạt động động - Gíc lơ khơng tải: Có nhiệm vụ tiết lƣu dịng khí biogas vào động cơ, đảm bảo lƣu lƣợng khí vào động chế độ khơng tải Hình 4.4 Bộ hỗn hợp Biogas – Khơng khí cho động - Bộ hồ trộn khí: Hịa trộn khơng khí với khí biogas tỉ lệ phù hợp tạo thành khí hỗn hợp nạp vào động Hình 4.5 Bộ hỗn hợp Biogas – Khơng khí cho động 74 Luan van 4.7 Lắp đặt hệ thống Chọn vị trí lắp đặt bình chứa, van, bố trí đƣờng ống dẫn, bảng điều khiển Bình chứa nhiên liệu biogas: Đƣợc đặt phía ngồi động nhờ hệ thống đồ gá - Van nạp: Đƣợc đặt bình chứa khí biogas Van cấp biogas hai chế độ: Làm đồ gá đặt van gần với chế hồ khí động cơ, khí biogas đƣợc dẫn qua đƣờng ống qua van vào động Hình 4.6 Lắp hỗn hợp Biogas – Khơng khí cho động 4.8 Chạy thử nghiệm Tiến hành chạy thử động cơ, cụm máy phát điện có cơng suất cực đại 5,5 HP, công suất định mức KW Trong trình chạy thử máy phát cấp điện cho tải ngồi bóng đèn, cơng suất bóng 40 W, động pha Thí nghiệm đƣợc tiến hành ứng với năm trƣờng hợp thay đổi tải bên Trƣờng hợp tăng tải lần thứ nhất, hai, ba, bốn ta thấy mạch điện từ làm việc liên tục nên đóng mở van điện từ liên tục dẫn đến đèn nháy liên tục, điện áp chƣa ổn định Do tải ngồi chƣa phù hợp với cơng suất định mức phát Trƣờng hợp tăng tải lần thứ năm ta thấy bóng sáng bình thƣờng, nên mạch điện từ hầu nhƣ khơng điều khiển đóng van điện từ, tải ngồi phù hợp với cơng suất định mức phát 75 Luan van Trong trƣờng hợp thay tải đột ngột động làm việc bình thƣờng, không bị chết máy Điều đảm bảo sử điều tốc hệ thống điều khiển điện từ Dùng vải trắng thử khói thải động thời gian dài thấy màu đen không xuất hiện, chứng tỏ nồng độ khói thải 76 Luan van CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Qua việc thử nghiệm động thực tế, có nhận xét sau : Hình 5.1 Bộ máy phát điện sử dụng Biogas - Việc sử dụng khí biogas làm nhiên liệu cho động đốt giải đƣợc nguồn nhiên liệu chỗ mà giảm đƣợc hàm lƣợng khí độc hại thải mơi trƣờng, giảm ăn mòn chi tiết tăng tuổi thọ cho động - Sử dụng khí biogas dùng nhiên liệu mang lại hiệu kinh tế cao giảm lƣợng chi phí lớn cho ngƣời nơng dân, tìm giải pháp cho vấn đề sử dụng nguồn nhiên liệu Biogas mà lãng phí, tránh gây khó khăn cho việc cất giữ loại nhiên liệu 5.2 Hƣớng phát triển đề tài - Qua nhiều lần thí nghiệm, để hồn thiện hệ thống cung cấp khí biogas cho động tĩnh tải, cần bổ sung thêm điều tốc vào chuyển đổi nhiên liệu GAS 77 Luan van - Chức TKX tạo đƣờng nạp khơng khí phụ phía sau trụ ga (hay bƣớm ga), qua làm giảm lƣợng khơng khí nạp qua chế hịa khí nên đồng thời làm giảm lƣợng liệu chế hịa khí cung cấp Với chế làm việc này, lƣợng khơng khí qua TKX phụ thuộc chủ yếu vào vị trí/độ mở trụ ga (hay bƣớm ga).Ở động xăng sử dụng chế hịa khí, tốc độ động tỉ lệ thuận với độ mở trụ ga nên lƣợng khơng khí qua TKX giảm dần tỉ lệ nghịch với tốc độ động Do vậy, tác dụng TKX phụ thuộc vào tốc độ vận hành động giảm dần tốc độ vận hành động tăng dần 78 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Văn Ga - Văn Thị Bông - Phạm Xuân Mai - Trần Văn Nam - Trần Thanh Hải Tùng Ơ tơ nhiễm mơi trường NXB Giáo Dục năm 1999 [2] Bùi Văn Ga Quá trình cháy động đốt NXB Giáo Dục năm 1999 [3] Trần Thanh Hải Tùng Kết cấu tính tốn động đốt (tài liệu lƣu hành nội bộ) [4] Hồ Tấn Chuẩn - Nguyễn Đức Phú - Trần Văn Tế - Nguyễn Tất Tiến Kết cấu tính tốn động đốt - tập 1,2,3 NXB Đại Học Trung Học Chuyên Nghiệp [5] Nguyễn Tất Tiến Nguyên lý động đốt NXB Giáo Dục - 2000 [6] Đinh Ngọc Ái Thuỷ lực máy thuỷ lực - Tập NXB ĐH & THCN [7] Đỗ Văn Đài - Nguyễn Trọng Khuông - Trần Quang Thảo - Võ Thị Ngọc Tƣơi Trần Xoa Cơ sở q trình thiết bị cơng nghệ hố học tập [8] Các Webside: http://www Vietnamnet/vesinhmoitruong.com http://www Vietnamnet/nongnghiep.com http://www.connellygpm.com/ironsponge.html http://blogs.lib.ncsu.edu/page/jhmartin?catname=%2FMembrane [9] Wood Energy 2015 Tech Rep National Council for Forest Research and Development [10] Woods, J 2000 Integrating sweet sorghum and sugarcane for bioenergy modelling the potential for electricity and ethanol production in SE Zimbabwe PhD thesis, King’s College London [11] Woods, Jeremy 2001 The potential for energy production using sweet sorghum in southern Africa Energy for Sustainable Development [12] World Bank 2010 Gross domestic product 2009 [13] World Bank 2013 Studies seek paths to clean cooking solutions Tech Rep The World Bank 79 Luan van [14] World Bank 2014 World bank indicators Tech Rep World Bank and In- ternational Energy Agency (IEA Statistics - OECD/IEA) [15] Wu, C.Z, Huang, H, Zheng, S.P & Yin, X.L 2002 An economic analysis of biomass gasification and power generation in China Bioresource Technology , reviews Issue [16] Wu, Xiaorong, Staggenborg, Scott, Propheter, Johathan L., Rooney, William L., Yu, Jianming & Wang, Donghai 2010 Features of sweet sorghum juice and their performance in ethanol fermentation In- dustrial Crops and Products [17] Yu, Jianliang, Zhang, Tao, Zhong, Jing, Zhang, Xu & Tan, Tianwei 2012 Biorefinery of sweet sorghum stem Biotechnology Advances 80 Luan van S K L 0 Luan van ... án sử dụng máy phát điện sử dụng nhiên liệu Biogas tối ƣu 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu - Nghiên cứu mơ hình tốn học hệ thống phát điện sử dụng. .. PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐỨC THÁI NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG BIOGAS NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS... nguyên liệu biomas ngày đƣợc sử dụng nhiều Nội dung luận văn nghiên cứu biện pháp nâng cao hiệu suất máy phát điện sử dụng khí biogas Có sử dụng tiết kiệm nhiên liệu động vận hành chu trình thử