Giải pháp là sử dụng các máy phát điện truyền thống, đã qua sử dụng hoán cải để chạy được với nhiên liệu biogas.. Năm 2008, nhóm nghiên cứu của Bùi Văn Ga đã công bố về “Hệ thống cung cấ
Giới thiệu chung
Đặc điểm tính chất của nhiên liệu biogas
Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ Theo ước tính của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, nếu sử dụng tất cả nguồn nguyên liệu có thể tạo ra khí sinh học để dùng trong vận chuyển thì lượng năng lượng này có thể làm giảm 500 triệu tấn khí cácbonic hàng năm, tương đương với số lượng 90 triệu xe dùng trong một năm
Thành phần chính của biogas là CH4 (50÷60%) và CO2 (trên 30%) còn lại là các chất khác như hơi nước, N2, O2, H2S, CO…, [7] được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20÷40 o C Khí biogas có nhiệt trị khoảng 23,400 kJ/m 3 , trị số octance (RON) khoảng 130 [8], do đó khí biogas có thể được sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu xăng/diesel truyền thống Khí biogas chứa các loại khí tạp chất
2 như hơi nước, CO2, H2S Các loại tạp chất này ảnh hưởng đến nhiệt độ ngọn lửa quá trình cháy và công suất động cơ Đặc biệt khí H2S (Hydrogen sulfide) có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ Do có thể tạo thành axit sulfuaric ăn mòn các chi tiết kim loại Nhất là khi ở điều kiện nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt như trong buồng cháy, vì vậy tốc độ ăn mòn chi tiết xảy ra nhanh hơn Sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc Bởi vậy cần xử lý H2S và các tạp chất khác trước khi đưa vào động cơ [9,10] Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas
Phương pháp tạo ra KSH là thực hiện áp dụng quá trình phân hủy những vật chất hữu cơ trong điều kiện hầm ủ không có không khí Hệ thống nén yếm khí của hầm ủ sẽ khử tất cả phế thải hữu cơ, bùn hữu cơ, phân chuồng trong hầm ủ để cho ra khí CH4 và một số khí khác Lượng khí này được thu và làm sạch tạp khí rồi mới đưa đến thiết bị sử dụng KSH
Quá trình tạo thành KSH trong hầm ủ trải qua các giai đoạn như sau:
Giai đoạn 1: Giai đoạn phân giải chất hữu cơ đây là giai đoạn đầu tiên trong hầm ủ Các chất hữu cơ phức tạp trong điều kiện yếm khí của hầm ủ được phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản
Giai đoạn 2: Giai đoạn axit hóa Sau giai đoạn phân giải chất hữu cơ là giai đoạn tạo các axit hữu cơ
Giai đoạn 3: Giai đoạn nitrat hóa Tiếp sau giai đoạn tạo các axit hữu cơ, kế đến là giai đoạn tạo các axcetat, H2 và CO2
Giai đoạn 4: Giai đoạn metan hóa Cuối cùng là giai đoạn metan hóa, tức là đến cuối quá trình, khí metan được tạo thành
Tùy thuộc nguồn phế thải sử dụng, khí CH4 thu được từ 50 - 75% tổng lượng khí hình thành, khí CO2 từ 25-50%, khí N2 từ 0-10%, khí H2S từ 0-3%, khí O2 từ 0-2% và khí
H2 từ 0-1% Kết quả nhiều nghiên cứu cho thấy khí CH4 trong KSH được hình thành từ ủ phân chuồng là 65%, từ ủ lá cây khô là 58% và từ ủ lá cây tươi là 70% Lượng KSH thu được tùy theo vật liệu ủ, phương pháp lên men, điều kiện nhiệt độ, chủng loại hầm ủ yếm khí và thời gian phản ứng Điều kiện tốt nhất để sản xuất KSH là ở nhiệt độ 33 o C và thời gian phản ứng là 100 ngày
Ví dụ: 1 kg phân chuồng (bò, trâu) cho được 15 lít KSH trong thời gian phản ứng 30 ngày dưới nhiệt độ 20 o C Nếu thời gian phản ứng kéo dài lên 100 ngày dưới nhiệt độ
33 o C, lượng phân này sẽ cho 54 lít KSH Để tạo ra KSH ở quy mô nhỏ và tương đối đơn giản Các thành phần chính của một hệ thống tạo ra KSH hiệu quả gồm có:
- Hầm nạp và trộn nguyên liệu có ống dẫn nước phân vào hầm phân hủy;
- Ống dẫn nước thải ra;
Tùy thuộc vào quy mô của hộ chăn nuôi, các điều kiện về chuồng trại, đất đai để có thể có phương án xây dựng các loại hầm ủ một cách hợp lý Ở quy mô chăn nuôi nhỏ như các nông hộ, các loại bể dung tích nhỏ (dưới 50m 3 ) thường sử dụng bể xây (hình 2.a), hoặc bể làm bằng vật liệu composite (hình 2.b) Với các trang trại chăn nuôi tập
3 trung, quỹ đất trang trại rộng và xử lý lượng chất thải hằng ngày lớn thì bể phủ bạt chống thấm HDPE (hình 2.c) là một giải pháp Ưu điểm của công nghệ hồ phủ bạt HDPE là chi phí đầu tư thấp so với các công nghệ khác, thời gian xây dựng và đưa vào vận hành nhanh chóng a) Hầm xây gạch xi măng b) Hầm composite
Ưu điểm, nhược điểm của nhiên liệu biogas
Công nghệ biogas đem lại nhiều ưu điểm Phải kể đến như cung cấp nguồn nhiên liệu tái tạo, phân bón hóa học Công nghệ biogas xử lý chất thải từ chăn nuôi, sinh hoạt một cách hiệu quả và giảm phát sinh độc hại gây ô nhiễm môi trường Hạn chế dịch bệnh và bảo vệ cho nguồn nước trong sạch Góp phần xây dựng một nền sản xuất nông nghiệp bền vững, hiệu quả và thân thiện với môi trường Khí biogas là nhiên liệu có thể tái sinh do được sản suất từ phế phẩm từ hoạt động sản xuất nông, lâm nghiệp Nên việc sử dụng khí biogas làm nhiên liệu thay thế các nhiên liệu truyền thống giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (xăng, diesel, dầu mỏ, than đá…); Mặt khác các nhiên liệu này cũng có hàm lượng các bon nhỏ hơn so với nhiên liệu xăng và diesel nên phát thải độc hại thấp hơn
Khí biogas có lẫn nhiều tạp chất Để sử dụng được cho các thiết bị KSH nói chung và động cơ đốt trong nói riêng việc lọc bỏ tạp chất là vô cùng cần thiết Chất lượng khí biogas ảnh hưởng trực tiếp tới tuổi thọ làm việc của các thiết bị KSH; Công suất và tuổi
Ngoài ra để tạo ra khí biogas cần tiến hành xây dựng các loại hầm ủ để có thể nạp chất thải vào thường xuyên, nhằm đáp ứng được lượng khí để sử dụng Điều này yêu cầu kỹ thuật xây dựng cao Ngoài ra ở các trang trại quy mô lớn, cần chi phí và diện tích đất khá lớn để xây hầm ủ khí.
Tổng quan tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu biogas
Tình hình trên thế giới
Hiện nay trên thế giới sản lượng KSH được sản xuất ra ngày một tăng cao, đứng đầu là khu vực Châu Âu (khoảng 60% tổng sản lượng KSH trên toàn thế giới), sau đó là khu vực Bắc Mỹ, Châu Á Thái Bình Dương cuối cùng là vùng Trung Đông và Châu phi Ở các nước phát triển sản lượng KSH được dùng cho mục đích phát điện Theo số liệu thống kê của IEA vào năm 2015, sản lượng điện hàng năm được sản xuất từ các công trình KSH của Vương quốc Anh đạt 7.600 GWh/năm (chiếm 2,3% tổng sản lượng điện sản xuất của cả nước), ở Đức là 28.000 GWh/năm (chiếm 4,7 % tổng sản lượng điện) IEA cũng đề cập trong tài liệu “IEA Task 37 Country Reports, 2015”, tổng lượng điện được sản xuất từ KSH của khối EU năm 2014 là 57 TWh [11]
Trên thế giới, hầu hết các nghiên cứu cải tiến đều tiến hành dựa trên các động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống (xăng hoặc diesel) và theo hướng động cơ sử dụng đơn nhiên liệu hoặc động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu Động cơ đơn nhiên liệu có thể được chuyển đổi từ những động cơ xăng nên có sẵn hệ thống đánh lửa do vậy chỉ cần thay đổi hệ thống nhiên liệu xăng thành hệ thống nhiên liệu biogas Nghiên cứu của Tjokorda và các cộng sự đã tiến hành trên động cơ xăng, một xilanh bốn kỳ, sử dụng chế hòa khí, kết quả đã chỉ ra rằng cần phải thay đổi bộ chế hòa khí để động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu biogas có thể dễ dàng khởi động, tuy nhiên điều kiện tiên quyết để động cơ nhiên liệu biogas làm việc được đó là phải loại bỏ
H2S ra khỏi nhiên liệu [12] Tuy nhiên, trong nhiên liệu khí sinh học có lẫn nhiều tạp chất khí không có lợi cho quá trình cháy ở động cơ đốt trong, giải pháp sử dụng ô xít sắt để khử H2S được coi là đơn giản và hiệu quả Bằng phương pháp này Wayan Surata và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu cấp khí sinh học cho động cơ đốt trong, kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng để tăng được tốc độ của động cơ cần phải cung cấp thêm năng lượng cho nhiên liệu khí sinh học [9] Juan Pablo Gomez Montoya cùng các cộng sự đã chỉ ra rằng động cơ sử dụng nhiên liệu biogas sẽ tăng tỷ số nén tới 15,5 mà không bị kích nổ [10]
5 Hình 1.2 Sản lượng khí sinh học ở một số khu vực giai đoạn 2012-2017 và dự kiến đến
2022 Động cơ lưỡng nhiên liệu chuyển đổi từ những động cơ diesel nhưng lắp thêm hệ thống nhiên liệu biogas, một lượng nhiên liệu diesel nhỏ được phun vào trong xilanh động cơ đóng vai trò như là nguồn lửa để đốt cháy hỗn hợp không khí – biogas [13] Tuy nhiên giải pháp này đem đến thuận lợi về khả năng sử dụng cả nhiên liệu diesel khi cần thiết hoặc diesel-biogas, cách sử dụng nhiên liệu khí sinh học kiểu này sẽ đem lại hiệu quả cao hơn so với động cơ nhiên liệu xăng Nghiên cứu thực nghiệm của Debabrata Barik và S Murugan đã chỉ ra rằng, động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu biogas-diesel sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất nhiệt và suất tiêu hao nhiên liệu ở chế độ toàn tải và cả ở tải nhỏ [13] Tuy nhiên để tăng được công suất hơn nữa Choongsoo Jung và các cộng sự đã tiến hành tăng áp cho động cơ sử dụng nhiên liệu khí sinh học Kết quả cho thấy công suất lớn hơn nhiều so với không tăng áp, nhưng NOx lại giảm đáng kể là do mở rộng được vùng làm việc của lambda [14]
Có rất nhiều công nghệ khác nhau có sẵn để chuyển hóa KSH thành nhiệt lượng và năng lượng Điển hình có thể kể đến như sử dụng KSH trên động cơ stirling, động cơ đốt trong xăng/diesel và động cơ tuabin Động cơ stirling là một hệ thống khép kín có thể chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng bằng cách nén theo chu trình và mở rộng môi trường làm việc Trong quá trình làm việc, năng lượng có thể được chuyển thành điện thông qua việc sử dụng máy phát điện Động cơ stirling có thể hoạt động với các nguồn năng lượng nhiệt khác nhau, điều này là lý tưởng cho việc tạo ra điện từ các nguồn nhiệt thải Động cơ này có dải công suất giữa vài chục kW đến khoảng 4 MW Chủ yếu là động cơ nhỏ, hiệu suất chuyển đổi từ KSH sang điện từ 35 đến 45% Giá bán động cơ có công suất 10kVA tại xưởng từ 5.525 USD đến 5.840 USD với thời gian chạy máy lên đến 50.000 giờ (tương ứng với 5,7 năm) Chi phí vận hành và bảo dưỡng loại động cơ này khoảng 1 UScent/kWh (Biomass CHP Catalog) Theo Uday RajSingh [15], động cơ stirling có tiềm năng cao về hiệu suất, lượng khí thải thấp Tuy nhiên động cơ vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trên thị trường Động cơ stirling có lợi thế là chịu được thành phần và chất lượng nhiên liệu Tuy nhiên, giá thành lại khá đắt và hiệu quả thấp Do đó, các động cơ này cũng chỉ giới hạn trong
6 một số ứng dụng rất cụ thể ở các nước phát triển
Theo EPA [16], động cơ đốt trong đánh lửa cưỡng bức có thể hoạt động với KSH trong khi động cơ đốt trong cháy do nén không thể chạy bằng KSH nếu không hiệu chỉnh kết cấu động cơ Việc sử dụng động cơ diesel bị hạn chế tại các quốc gia phát triển do mối quan ngại về phát thải không khí như lượng phát thải NOx và PM cao vì vậy phần lớn động cơ đánh lửa cưỡng bức được sử dụng để hoán cải thành động cơ sử dụng KSH
Chi phí lắp đặt trọn gói của động cơ đốt trong dao động từ 2.200 USD/kW cho các đơn vị nhỏ hơn (100 kW) đến 1.130 USD/kW cho các đơn vị lớn (5 MW) Hiệu suất điện năng của các hệ thống nhỏ hơn là 28%, các hệ thống lớn hơn là 39% Hiệu suất của hệ thống đạt khoảng 70-80% khi nhiệt lượng có ích được thu hồi Thời gian vận hành động cơ này dao động từ 50.000 - 65.000 giờ (tương ứng với 5,7 - 7,5 năm) Theo Hiệp hội KSH của Đức, hiệu suất điện năng có thể đạt 45% và hiệu suất của hệ thống là 80-90% (BBE, 2015)
Bảng 1.1 Chi phí đầu tư MPĐ KSH
Như thể hiện trên bảng 1, tỷ suất đầu tư cho 1 kW điện cho hệ thống MPĐ từ Trung Quốc có giá thành chưa bằng 1/3 tỷ suất đầu tư MPĐ KSH có nguồn gốc từ EU
Với các hệ thống MPĐ dùng các công nghệ tua-bin khí và tua-bin micro, do giá thành đầu tư hệ thống cao, không có sẵn linh kiện thay thế, cộng với việc yêu cầu về kỹ năng vận hành của người dùng cao, nên khó phổ biến các công nghệ này trong thời gian tới ở Việt Nam
Sản xuất ra điện KSH có chi phí đầu tư cao tuy nhiên hiện nay việc nối lưới điện ở Việt Nam là không thể do các nguyên nhân như điện phát ra từ những MPĐ không ổn định về sản lượng cũng như chất lượng, chi phí nối lưới cao…, nên việc xem xét đầu tư MPĐ KSH chỉ nên cân nhắc hiệu quả đầu tư cho lượng điện sử dụng nội bộ so với chi phí phải chi trả cho điện lưới
Việc có nhập nguyên bộ MPĐ KSH về Việt Nam áp dụng hay không cũng cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng khi cân nhắc đến các yếu tố:
Chất lượng khí KSH sản sinh ra có chất lượng tốt
Có bộ lọc KSH đảm bảo chất lượng
Dễ dàng tìm kiếm phụ tùng thay thế trong nước
Với việc khảo sát, phân tích các đặc điểm về hệ thống MPĐ KSH trên thế giới Các xu hướng công nghệ cũng như khả năng mở rộng, ứng dụng của từng loại công nghệ MPĐ KSH trên các thị trường khác nhau đã được nêu bật Tuy nhiên, đánh giá chung cho thấy không có công nghệ MPĐ nào là tối ưu và chiếm được thị phần lớn do sự thay đổi về điều kiện vận hành, đặc điểm của ngành nông nghiệp cũng như tập quán sử dụng của phụ tải (hộ dân, cụm dân cư và các nhà máy lớn) Việc triển khai các công nghệ MPĐ KSH mới yêu cầu việc phát triển năng lực của các nhà cung cấp (tài chính, khả năng tiếp cận các trợ giúp từ ngân sách và các dự án năng lượng mới, đội ngũ nhân viên kỹ thuật ) cho đến các hỗ trợ của nhà nước về nâng cao ý thức của người dân, phát triển năng lượng tái tạo và bảo vệ môi trường bền vững.
Tình hình nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu sử dụng KSH làm nhiên liệu thay thế cho các nhiên liệu truyền thống đã được thực hiện nhiều ở Việt Nam [17,18,19,20] Năm 2007 động cơ máy phát điện khí sinh học đã được thử nghiệm tại tỉnh Thái Bình với công suất nhỏ khoảng 650W, cũng trong năm này Trung tâm tiết kiệm năng lượng – Sở Công thương Hà Nội phối hợp với Viện Khoa học Việt Nam nghiên cứu sử dụng máy phát điện khí sinh học có công suất đến 1,5 kW cho một số hộ gia đình ở huyện Đông Anh và Gia Lâm Công suất máy phát điện khí sinh học đã được nâng lên đến 2,2 kW ở một số hộ gia đình tỉnh Thái Nguyên
Cũng trong năm 2007 nhóm nghiên cứu của GS Bùi Văn Ga đã công bố kết quả khoa học về việc sử dụng khí sinh học làm nhiên liệu cho động cơ tĩnh tại dẫn động máy phát điện là giải pháp hữu hiệu về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường ở nông thôn [18] Công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu khí sinh học là thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống, tuy nhiên chất lượng khí thải vẫn nằm trong giới hạn cho phép của TCVN Giải pháp để loại bỏ một số tạp chất khí xuất hiện trong quá trình phân hủy các chất thải đã được các tác giả thực hiện đó là dùng phoi sắt để khử H2S Năm 2008, nhóm nghiên cứu của Bùi Văn Ga đã công bố về “Hệ thống cung cấp biogas cho động cơ dual-fuel biogas/diesel”, kết quả nghiên cứu đã khẳng định rằng động cơ dual-fuel sử dụng biogas với lượng nhiên liệu diesel mồi 5% có thể được cải tạo đơn giản từ động cơ diesel nguyên thủy Động cơ có thể làm việc với áp suất biogas rất thấp, khoảng 35mmH2O Bộ điều tốc kiểu điện tử với chip AT89C52 hoạt động tin cậy, điện áp trong giai đoạn chuyển tiếp tăng, giảm khoảng 5% so với điện áp định mức và thời gian ổn định khoảng 5s Tiêu thụ nhiên liệu khoảng 1m 3 biogas tương ứng 1kWh điện, khí thải của động cơ gần như không có muội các-bon [17] Năm 2009, nhóm nghiên cứu của Nguyễn Đình Hùng đã thực hiện khử H2S bằng kiềm NaOH, kết quả là khoảng 90% khí
H2S được loại bỏ và công suất động cơ khi chưa có cải tiến hoặc thay đổi nào rất nhỏ so với nhiên liệu xăng [18]
Một nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu KSH/diesel trên cơ sở động cơ một xi lanh tĩnh (mẫu VIKYNO EV2600-NB) Kết quả là giá trị công suất thực nghiệm nằm trong khoảng 0,7 đến 0,8 và công suất động cơ lưỡng nhiên liệu KSH/diesel ở khi chạy ở chế độ nhiên liệu kép lớn hơn công suất của động cơ này khi chạy hoàn toàn bằng diesel [21] Bên cạnh đó, công nghệ này phù hợp với điều kiện nguồn KSH hạn chế, có thể sử dụng KSH nghèo có thành phần thể tích CH4 50%÷60%, không cần
8 lọc CO2, mà vẫn đảm bảo được công suất cực đại của động cơ nguyên thủy trước khi chuyển đổi
Kết quả khảo sát chỉ ra rằng hệ thống MPĐ KSH quy mô hộ gia đình mang lại hiệu quả kinh tế rõ ràng: giá thành sản xuất điện luôn thấp hơn giá mua điện ở cả giờ bình thường và rất hiệu quả đối với chi phí mua điện lưới ở giờ cao điểm [21] Thời gian thu hồi vốn trung bình ở quy mô hộ gia đình với các loại máy nhập ngoại từ Ấn Độ hoặc Thái Lan trong khoảng thời gian trên dưới 3 năm
Theo một nghiên cứu khác, nếu sử dụng 3 MPĐ có công suất 45 kWh (sử dụng phoi sắt trộn vỏ trấu để lọc khí H2S) cho trang trại 6.300 con, tổng lượng điện sinh ra đạt khoảng 1.600 kW/ngày [22] Kết quả khảo sát chỉ ra rằng hệ thống MPĐ KSH quy mô trung bình và lớn có giá thành sản xuất điện khoảng 1.000-1.100đ/kWh và thời gian thu hồi vốn khoảng 2-2,5 năm Đến năm 2019, trong một nghiên cứu của tác giả và cộng sự, về nghiên cứu cải tạo cụm động cơ - máy phát điện đang sử dụng nhiên liệu xăng sang sử dụng nhiên liệu biogas để cấp điện trong hộ gia đình Cụm động cơ - máy phát điện GX630 có công suất 10kVA được tiến hành cải tạo Về cơ bản, kết cấu của các hệ thống chính của động cơ không thay đổi Động cơ sẽ được trang bị thêm hệ thống cung cấp khí biogas và một hệ thống lọc tách H2S và hơi nước ra khỏi khí biogas trước khi đưa vào động cơ Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas được thiết kế theo nguyên tắc dùng bộ hòa trộn với ưu điểm đơn giản, hoạt động ổn định và tiết kiệm chi phí Kết quả nghiên cứu cho thấy, cụm động cơ máy phát sau cải tạo có khả năng phát công suất tối đa tới 4,4kW, tương đương khoảng 55% công suất của cụm động cơ - máy phát điện nguyên bản với chất lượng khí biogas chỉ có khoảng 64% mê tan Động cơ sau cải tạo có thể sử dụng linh hoạt nhiên liệu xăng và biogas Việc tiến hành cải tạo động cơ đơn giản nhưng mang lại hiệu quả thiết thực, giảm chi phí tiêu thụ điện năng cũng như cắt giảm được lượng lớn chất thải độc hại trong chăn nuôi
Cũng trong năm 2019, một nghiên cứu khác của tác giả và cộng sự, về nghiên cứu cải tạo máy phát điện cỡ vừa sử dụng nhiên liệu khí biogas từ chăn nuôi Nghiên cứu thực hiện trên tổ máy phát điện 3 pha nguyên bản sử dụng động cơ diesel Isuzu 4JJ1-T, dung tích 3.0 lít, trang bị hệ thống nhiên liệu phun dầu điện tử và tuabin tăng áp Sâu đó kết cấu và một số hệ thống của động cơ được cải tạo để có thể làm việc với nhiên liệu biogas Để động cơ có thể làm việc với nhiên liệu biogas mà không xảy ra hiện tượng cháy kích nổ, tỷ số nén được giảm từ 17,5 xuống 13 bằng cách tăng độ dày đệm nắp máy Hệ thống cung cấp nhiên liệu dưới dạng bộ hòa trộn cùng hệ thống đánh lửa được trang bị để thay thế cho hệ thống bơm cao áp - vòi phun nguyên bản Ngoài ra, động cơ còn được trang bị bộ điều tốc điện tử để ổn định tần số phát điện khi phụ tải ngoài thay đổi Kết quả sau cải tạo, máy phát điện đạt được công suất tối đa 31,14 kW, tương đương 85% công suất định mức của máy nguyên bản với hàm lượng mê tan trong biogas là 64% Sau thời gian chạy khảo nghiệm, kết quả cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 1,17 tương ứng 1m3 khí biogas với hàm lượng 64% mê tan tạo ra 1,17kW điện Việc sử dụng nhiên liệu khí biogas phục vụ chạy máy phát điện vừa tận dụng được nguồn năng lượng tái tạo, bảo vệ môi trường, vừa tiết kiệm chi phí điện năng tiêu thụ tại các trang trại quy mô vừa và nhỏ Đây là một nghiên cứu đã đưa được máy phát điện sử dụng nhiên liệu biogas vào phục vụ cho sản xuất chăn nuôi ở quy mô vừa
9 Tại Việt Nam ứng dụng động cơ MPĐ KSH sử dụng cho công trình KSH quy mô vừa chủ yếu được cải tạo từ các động cơ cũ, chi phí cải tạo từ động cơ cũ thông thường giảm 20% đến 40% so với giá mua động cơ mới có cùng công suất và xuất xứ Muốn kéo dài tuổi thọ của MPĐ KSH được cải tạo lại từ động cơ diesel hay xăng thì thành phần H2S trong KSH phải dưới 200ppm
Các nhà cung cấp cũng tương tự như ở động cơ MPĐ KSH quy mô nhỏ MPĐ chạy KSH nhập khẩu Châu Âu, Nhật, Hàn Quốc có giá thành đầu tư cao từ 2.000 USD/kW, MPĐ chạy KSH yêu cầu cao về chất lượng khí CH4 (50%-75%) và H2S nhỏ hơn 200 ppm dẫn đến yêu cầu cao về thông số và công nghệ bộ lọc Các động cơ cải tạo dùng KSH chạy MPĐ chủ yếu được chuyển đổi từ động cơ ô tô chạy xăng hoặc động cơ diesel bằng cách cung cấp KSH trực tiếp trên động cơ xăng hoặc thay thế vòi phun dầu diesel trên động cơ diesel thành IC đánh lửa cưỡng bức, KSH cung cấp cho động cơ bằng quạt thổi khí và điện áp đầu ra được hiệu chỉnh bằng bộ ổn áp điện nên hệ thống MPĐ KSH này thường gặp nhược điểm sau: (i) Hệ thống MPĐ KSH tương đối cồng kềnh; (ii) Do KSH được cấp bằng quạt thổi khí không điều chỉnh được lượng KSH cấp cho động cơ dẫn đến MPĐ KSH thường vận hành ở tốc độ cao nên tuổi thọ máy rất thấp; (iii) Động cơ được nối đồng trục với MPĐ dẫn đến tốc độ của động cơ và máy phát không đồng bộ, lượng khí cấp vào MPĐ KSH được điều chỉnh bằng tay Đối với loại MPĐ KSH này thường gặp các sự cố sau: (a) độ bền của MPĐ KSH rất thấp, thường hư xupap, bugi đánh lửa; vận hành rất khó khăn; (b) không tự điều chỉnh tốc độ khi phụ tải thay đổi; (c) kết cấu MPĐ KSH rất thô sơ; (d) hiệu suất thấp
Với MPĐ KSH nhập khẩu nguyên chiếc thì chi phí rất đắt đỏ Một yếu tố nữa là bộ lọc KSH đạt chuẩn cho MPĐ nhập khẩu có chi phí rất cao Việc vận hành, bảo dưỡng cũng gặp nhiều khó khăn MPĐ KSH quy mô lớn chủ yếu được ứng dụng tại các trang trại, nhà máy lớn có lượng điện tiêu thụ nội bộ cao, thường là những nhà máy có nguồn chất thải hữu cơ lớn như các nhà máy chế biến sắn, nhà máy bia, nhà máy sữa hay các trang trại lớn v.v… Đây là những nơi có nhu cầu đầu tư bài bản do việc sử dụng MPĐ thực sự mang lại hiệu quả kinh tế cho chủ đầu tư, giúp tiết kiệm rất nhiều chi phí trả cho điện lưới, đặc biệt khi phát vào giờ cao điểm Hơn nữa do máy có công suất lớn, chất lượng tốt, có nguồn gốc từ các nước tiên tiến và các thương hiệu nổi tiếng, hoạt động cùng với bộ lọc KSH phù hợp và được vận hành bởi nhân viên kỹ thuật nên các MPĐ này thường vận hành với hiệu suất cao, tuổi thọ cao Chi phí đầu tư trên 1kW nhỏ nên chi phí phát điện KSH ở quy mô này thấp hơn giá điện lưới, thời gian thu hồi vốn cho đầu tư MPĐ chỉ từ 3-4 năm Đây cũng là mục tiêu đề ra khi các giải pháp mới được thực thi trên các hệ thống MPĐ được cải tạo
Thị trường MPĐ KSH quy mô lớn và ứng dụng cho các công trình KSH quy mô lớn là rất khó khăn, và đòi hỏi những nhà cung cấp thực sự chuyên nghiệp với các giải pháp tổng thể đồng bộ kèm theo bao gồm cả tư vấn, thiết kế hệ thống, đào tạo vận hành và chuyển giao công nghệ
Một trang trại ở Quỳ Hợp, Nghệ An đã đầu tư hệ thống MPĐ K SH công suất 750kW để phục vụ phát điện nội bộ trong trang trại Tổng diện tích khu đất 245,49ha, trang trại cho 10.000 con lợn nái và 100.000 con lợn thịt, tích hợp hệ thống kiểm soát nhiệt độ và mùi; Hệ thống xử lý chất thải gồm: hầm KSH, xử lý nước thải, hồ tuần hoàn, xử lý phân sau hầm ủ Trại chăn nuôi đã đầu tư 02 hệ thống MPĐ 730 kW/750 kVA chạy bằng KSH Để sử dụng hiệu quả năng lượng điện phát ra từ KSH việc phân loại phụ tải tiêu thụ và điện năng tiêu thụ điển hình trong một ngày làm việc được Công ty môi trường Thăng Long là đơn vị tư vấn giải pháp và thi công cung cấp thiết bị liệt kê tính toán như
Bảng 1.2 Phân tích tính toán nhu cầu sử dụng điện KSH
TT Máy và thiết bị Số lượng Công suất Thời gian hoạt động Điện năng Tiêu thụ
Hố thu nước thải sau tách phân B-10
Bể phân hủy yếm khí B-103A/B
2 Bơm bùn yếm khí dư 2 1,50 7,5 22,5
Bể chứa trung gian số 2 -106
Bể chứa trung gian số 3 B-111
Máy khuấy pha chất khử àu 1 0,75 0,50 0,38
8 Bơm định lượng chất khử màu 2 0,18 12 4,32
Hệ thống xử lý bùn
1 Bơm bùn bể nén bùn 2 5,5 9 99,0
2 Máy ép bùn đĩa vít 1 6,0 18 108,0
Hệ thống máy phát điện
2 Bơm tuần hoàn khử lưu huỳnh 2 4,0 12 96,0
Thiết bị phòng điều khiển
Chi phí năng lượng (VNĐ/ngày) 13,365,502.5
Nguồn: Trích phương án đầu tư MPĐ của Công ty môi trường Thăng Long
Theo thông tin từ nhóm GATEC Đà Nẵng, qua sự thống kê tính toán thực tế ở các công trình cho thấy đầu tư máy phát điện có công suất càng lớn thì hiệu quả kinh tế càng cao Nếu có đơn vị nào có đủ chất thải hữu cơ chạy máy phát và ký hợp đồng với họ trong vòng tối thiểu 5 năm, họ sẵn sàng đầu tư MPĐ chạy KSH, sử dụng chính nguồn chất thải hữu cơ đó và sau đó bán lại điện cho chính trang trại đó Điều này có thể lý giải ở những nguyên nhân sau:
- Quy mô trang trại càng lớn thì nhu cầu sử dụng điện càng lớn, chi phí trả cho điện lưới của các trang trại cao do phải chạy nhiều các thiết bị sử dụng điện
- Các trang trại lớn hay nhà máy có những nhân sự chuyên trách cho vận hành nên thiết bị vận hành hiệu quả với độ bền cao
Kết quả các báo cáo trước đây chỉ ra rằng hệ thống MPĐ KSH quy mô hộ gia đình chưa mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt, mặc dù giá thành sản xuất điện gần bằng với giá bán điện giờ cao điểm nhưng tuổi thọ ngắn, máy thường xuyên phải sửa chữa
Theo một nghiên cứu “Sử dụng KSH để chạy động cơ diesel cỡ nhỏ”, nghiên cứu này được thử nghiệm đối với MPĐ KSH 5kVA, sử dụng phôi sắt để lọc H2S Kết quả nghiên cứu cho thấy nếu động cơ MPĐ chạy 6h/ngày, dùng nhiên liệu KSH thay cho dầu thì sẽ tiết kiệm được 2 triệu đồng/tháng, tương đương 24 triệu đồng/năm Đồng thời, lượng
CO2 phát thải vào bầu khí quyển khi chạy MPĐ bằng KSH giảm 9,5 tấn/năm so với chạy MPĐ bằng dầu [24]
13 Qua khảo sát sơ bộ và tham vấn cho thấy, thị trường MPĐ KSH ở quy mô nhỏ hiện có
Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quan về nhiên liệu biogas hay nhiên liệu khí sinh học (KSH) Như đã trình bày, công nghệ khí sinh học đã và đang trở thành giải pháp hữu hiệu trong vấn đề xử lý chất thải chăn nuôi Các sản phẩm thu được ngoài khí sinh học còn có các tạp chất hữu cơ dùng làm phân bón hoặc thức ăn cho thủy sản Chương 1 trình bày vắn tắt về công nghệ sản suất khí biogas, các tính chất của nhiên liệu biogas và ứng dụng của nó Khi sinh học có thể sử dụng trên động cơ đốt trong tạo ra nguồn động lực phục vụ những mục đích khác Đặc biệt là ứng dụng khí sinh học để chạy máy phát điện Trên thế giới máy phát điện khí sinh học đã được ứng dụng ở nhiều quốc gia và đem lại hiệu quả Trước đây khí biogas ở nông hộ được ứng dụng chủ yếu trong đun nấu và thắp sáng, tuy nhiên hiện nay cơ cấu chuyển dịch mô hình chăn nuôi từ nhỏ lẻ sang tập trung với quy mô vừa và lớn, thì lượng khí biogas sinh ra mỗi ngày cũng lớn theo Do đó nếu chỉ đun nấu và thắp sáng thì không tiêu thụ hết Vì vậy thường được đốt bỏ hoặc xả ra môi trường Gây lãng phí và ảnh hưởng đến tầng khí quyển Giải pháp sử dụng nhiên liệu KSH cho máy phát điện là giải pháp hữu hiệu giải quyết vấn đề trên Hiện nay đã có doanh nghiệp dẫn đầu đưa mô hình MPĐ KSH vào sản xuất và kinh doanh Tuy nhiên đi cùng đó cần có những nghiên cứu làm chủ công nghệ, nâng cao hiệu suất làm việc và hiệu quả sử dụng của MPĐ KSH Mà trong nghiên cứ này tác giả sẽ trình bày rõ hơn các tác động từ tỷ lệ hòa trộn không khí nhiên liệu và góc đánh lửa đến khả năng hoạt động của MPĐ KSH trong những chương tiếp theo.
HOÁN CẢI MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU
Cơ sở lý thuyết
Nhiên liệu biogas có thành phần chính là mê tan, vì vậy loại nhiên liệu này có đặc điểm cháy gần tương tự nhiên liệu xăng, có khả năng hòa trộn tốt với không khí và có trị số Octane cao hơn xăng nên rất thích lợp làm nhiên liệu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức Do vậy, đặc điểm kết cấu chung của động cơ biogas đốt cháy cưỡng bức hoàn toàn tương tự động cơ xăng và chỉ khác ở hệ thống cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp Các động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng nhiên liệu biogas hiện nay chia thành hai nhóm Nhóm thứ nhất, đó là các động cơ được thiết kế, chế tạo mới chuyên sử dụng nhiên liệu biogas Nhóm thứ hai là các động cơ được hoán cải, chuyển đổi từ các động cơ chạy xăng hoặc các động cơ chạy nhiên liệu diesel sang chạy nhiên liệu biogas Việc thiết kế chế tạo mới các động cơ biogas sẽ tốn kém kinh phí tương tự việc nghiên cứu thiết kế và phát triển một sản phẩm mới của các hãng chế tạo động cơ nên giá thành đến người sử dụng sẽ cao Tuy nhiên, các động cơ biogas thiết kế mới sẽ đảm bảo quá trình làm việc tối ưu khi chạy nhiên liệu biogas nên sẽ có tính kinh tế và tính hiệu quả cao hơn động cơ chuyển đổi Việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng và động cơ diesel đang lưu hành sang chạy nhiên liệu biogas có ý nghĩa thực tế hơn vì số lượng đầu máy hiện hành sử dụng nhiên liệu truyền thống đang rất lớn trong khi nguồn nhiên liệu này đang cạn kiệt, cần sử dụng nhiên liệu thay thế để bổ sung Mặt khác, việc chuyển đổi các động cơ có sẵn sẽ rẻ hơn so với chế tạo mới rất nhiều nên dễ dàng đáp ứng được khả năng chi trả của nhiều đối tượng sử dụng Qua nghiên cứu đặc tính làm việc của cùng một động cơ đánh lửa cưỡng bức khi chạy nhiên liệu xăng và khi chạy nhiên liệu biogas, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng động cơ chạy biogas nên được thiết kế tăng tỷ số nén của động cơ và thay đổi góc đánh lửa sớm theo hướng tăng một chút so với động cơ chạy xăng để tăng hiệu suất, công suất và giảm suất tiêu hao nhiên liệu
Việc chuyển đổi động cơ xăng mà điển hình là động cơ xăng hình thành hỗn hợp bên ngoài như các động cơ dùng bộ chế hòa khí hoặc động cơ phun xăng trên đường nạp sang chạy biogas khá đơn giản và rẻ tiền Chỉ cần trang bị thêm hệ thống cung cấp biogas cho động cơ, còn các hệ thống khác vẫn được giữ nguyên là có thể làm việc được với nhiên liệu biogas Các động cơ này có thể tháo bỏ hệ thống cung cấp xăng để chạy chỉ với biogas hoặc để tồn tại song song cả hai hệ thống cung cấp xăng và biogas dưới dạng động cơ lưỡng nhiên liệu Bio-fuel Tuy nhiên, đối với các động cơ xăng hoán cải sang sử dụng nhiên liệu biogas, để giảm thiểu chi phí thì không nên thay đổi kết cấu của động cơ
Chuyển đổi động cơ diesel sang chạy biogas đốt cháy cưỡng bức phức tạp và tốn kém hơn so với chuyển đổi động cơ xăng Ngoài việc thay thế hệ thống phun nhiên liệu diesel cao áp bằng hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas, còn cần phải trang bị thêm hệ thống đánh lửa và thay đổi kết cấu động cơ để giảm tỷ số nén Như vậy, động cơ diesel khi đã được chuyển đổi sang động cơ biogas đốt cháy cưỡng bức thì động cơ sẽ chỉ chạy được với nhiên liệu biogas mà không thể quay về chạy nhiên liệu diesel theo ý muốn được Do chi phí cao và sự phức tạp của việc thay đổi kết cấu động cơ nên việc chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu biogas thường ít được áp dụng rộng rãi bằng chuyển đổi động cơ xăng
Khí biogas tại Việt Nam được nghiên cứu và chạy trên động cơ đánh lửa cưỡng bức
16 trong một thời gian dài, chủ yếu dùng cho mục đích kéo máy phát điện tại trang trại Một trong những nghiên cứu đầu tiên tại Đại học Đà Nẵng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện 2HP sử dụng bộ phụ kiện GA5 được phát triển [24] Ảnh hưởng của tỉ số nén đến tính năng của động cơ cũng được xem xét, trong đó tỉ số nén chỉ ảnh hưởng lớn tới áp suất cuối quá trình cháy mà không ảnh hưởng nhiều đến nhiệt độ hỗn hợp và đường cong tỏa nhiệt Các thử nghiệm biogas trên xe gắn máy cho thấy kết quả khả quan về mặt khí thải khi so với xăng, tuy nhiên những nghiên cứu này vẫn chưa áp dụng được trong thực tế [25,26] Nghiên cứu động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng 100% biogas trên thế giới có nhiều bước tiến về mặt đánh giá công suất, quá trình cháy, khí thải [27] Một nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ mê-tan đối với quá trình hoạt động của động cơ đánh lửa cưỡng bức khi đánh giá sự ảnh hưởng của việc giảm CO2 đến công suất, khí thải, sự cháy tại tốc độ không đổi [28] Ảnh hưởng của nồng độ CO2 tới công suất động cơ [29] Một nghiên cứu khác về động cơ sử dụng 100% biogas với hai mức tỉ số nén là 12 và 13,3 [30] Với mục tiêu đạt công suất ít nhất 36% và mức phát thải ít hơn quy định của Thụy Sĩ Ở tỷ số nén 12.0 lượng khí thải thấp hơn khi ở tỷ số nén 13.3 Ngoài ra, phương pháp chuyển đổi từ động cơ xăng sang sử dụng biogas cũng được đề cập tại nghiên cứu của Nindhia và đồng nghiệp [31], phương pháp cho thấy động cơ chuyển đổi hoạt động tốt và ổn định
Hiện nay các động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống là xăng/diesel đều có thể cải tạo thành động cơ biogas Hiệu quả kinh tế của động cơ biogas phụ thuộc vào cỡ công suất của động cơ và phương pháp hình thành hỗn hợp Để xác định cụ thể phương pháp hình thành hỗn hợp cho động cơ biogas, cần tính toán lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết một đơn vị nhiên liệu biogas và xác định tỷ lệ hòa trộn
*) Tính toán hình thành hỗn hợp:
Thành phần chủ yếu của khí biogas là methane (CH4) Xét 1kg CH4, ta có phương trình cháy:
Như vậy để đốt cháy hoàn toàn 1kg CH4 cần 4kg O2 Do đó lượng không khí cần thiết là:
Nếu khí biogas có X% CH4 về khối lượng Vậy cứ 100/X kg biogas cần 400/21kg không khí Nên tỷ lệ biogas/không khí lý thuyết sẽ là:
Giả sử biogas chỉ có CH4 và CO2, gọi Y% là phần trăm thể tích CH4 có trong khí biogas, ta có:
16𝑌 + 44(100 − 𝑌) % Khối lượng riêng của biogas là:
Gọi D0 là đường kính trong đường nạp không khí, Db là đường kính trong đường cấp nhiên biogas để tạo hỗn hợp 𝑣 và 𝑣 lần lượt là tốc độ của không khí và khí biogas khi qua họng Khi đó ta có lưu lượng của không khí và khí biogas nạp vào động cơ lần lượt là:
Do đó tỷ lệ hỗn hợp thực tế sẽ là:
Từ (3) và (8) ta có hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp sẽ được xác định theo công thức:
Nếu như xác định được tốc độ không khí 𝑣 và tốc độ khí biogas 𝑣 đi vào đường nạp động cơ thì ta có thể xác định được tỷ lệ của hỗn hợp hòa trộn không khí/biogas khi đưa vào động cơ
Việc cải tạo động cơ đốt trong nguyên bản là động cơ xăng sang sử dụng nhiên liệu biogas đã được thực hiện nhiều ở Việt Nam Động cơ xăng là động cơ cháy do đánh lửa cưỡng bức Hơn nữa tỷ số nén của động cơ xăng từ 9-12, thích hợp cho việc sử dụng nhiên liệu khí biogas Do đó vấn đề cải tạo động cơ đốt trong chạy xăng sang chạy biogas chỉ còn là vấn đề cung cấp nhiên liệu Đối với động cơ nguyên bản là động cơ xăng có thể cải tạo thành động cơ biogas/xăng (chạy hoàn toàn với biogas hoặc hoàn toàn với xăng) Đối với hỗn hợp biogas nghèo có thể sử dụng một lượng xăng nhỏ đủ để châm cháy hỗn hợp Việc lựa chọn phương án cung cấp nhiên liệu ảnh hưởng tới hiệu suất của động cơ Các phương pháp cung cấp biogas cho động cơ đốt trong đã được trình bày trong mục 2.2 Tùy thuộc vào kết cấu của động cơ cải tạo mà có những phương án cung cấp nhiên liệu hòa trộn hỗn hợp khác nhau Nhìn chung việc cải tạo động cơ xăng sang động cơ biogas có 2 phương án cung cấp nhiên liệu chính:
*) Phương án phun biogas trên đường ống nạp
Phương án này phù hợp với động cơ nguyên bản sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử Vòi phun xăng sẽ được thay thế bằng vòi phun biogas hoặc có thể bố trí thêm một vòi phun biogas trên đường ống nạp Vòi phun biogas mới sẽ được điều khiển nhờ tín hiệu điều khiển từ ECU đến vòi phun xăng của động cơ nguyên bản Tín hiệu điều khiển sẽ được qua một mạch xử lý để điều chỉnh phù hợp với đặc tính cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ Để giảm sự ảnh hưởng của yếu tố nhiên liệu đối với động cơ như nhiệt độ, áp suất, khí biogas cung cấp phải được giữ ở áp suất ổn định, việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp nhờ thời gian mở kim phun Do vậy trong phương án này, cẩn nén khí biogas dưới áp suất cao trong bình chứa (khí biogas đã được xử lý tạp chất) và bố trí van ổn áp để điều chỉnh áp suất đầu ra của bình phù hợp khi cấp tới vòi phun Công nghệ nén khí dưới áp suất cao đòi hỏi kỹ thuật phức tạp và chi phí đầu tư máy móc lớn Ưu điểm của phương án này là kiểm soát được lượng nhiên liệu cung cấp theo từng chu trình hoạt động Do tín hiệu điều khiển vòi phun được lấy từ ECU nguyên bản, chỉ thay đổi thời gian mở, nên đặc tính phun được bám sát theo động cơ mà nhà sản xuất thiết kế Hơn nữa, việc bố trí các bình tích áp chứa biogas có tính cơ động cao, thích hợp sử dụng cho các phương tiện vận tải
Nhược điểm của phương án này là việc nén khí biogas và tích trữ trong bình với áp suất cao đòi hỏi phải có giải pháp kỹ thuật và công nghệ Ngoài ra để đầu tư một hệ thống nén khí biogas gây tốn kém chi phí dẫn tới hiệu quả sử dụng thấp Mạch vi xử lý được thiết kế cần có độ chính xác, chống nhiễu tốt và đảm bảo độ tin cậy
*) Phương án cung cấp nhiên liệu kiểu ống venturi
Với phương án này, khí biogas sẽ được cấp tới ống venturi với 1 đường cấp là không khí, 1 đường là khí biogas Khí biogas được hòa trộn đều với không khí nhờ họng khuếch tán Tỷ lệ không khí, nhiên liệu được điều chỉnh nhờ các van tinh chỉnh trên đường cấp không khí và biogas Khí biogas được giữ áp suất ổn định gần bằng với áp suất môi trường, vì vậy lượng khí biogas cung cấp tại họng sẽ phụ thuộc lượng không khí qua họng hay phụ thuộc vào từng chế độ hoạt động của động cơ Khác với phương án trước, phương án này thích hợp bố trí cho các động cơ tĩnh tại, có thể sử dụng gần nguồn biogas ví dụ như máy phát điện Ở các trang trại quy mô, các bể biogas thường là bể HDPE cỡ lớn, do đó áp suất khí biogas chỉ lớn áp suất môi trường một chút Nên việc ứng dụng phương pháp này để cung cấp khí biogas chạy động cơ tĩnh tại phục vụ trực tiếp cho trang trại có nhiều ưu việt Tuy nhiên để đảm bảo áp suất khí biogas cung cấp cho động cơ ở giá trị ổn định, vẫn phải bố trí van ổn áp Vì tùy theo các thức sản xuất biogas hoặc có thể do điều kiện thời tiết mà áp suất khí biogas có các gia trị khác nhau Ưu điểm của phương án này là đơn giản và hiệu quả Rất thích hợp sử dụng cho các động cơ biogas tĩnh tại hoạt động gần nguồn biogas lâu dài, chẳng hạn như máy phát điện
Nhược điểm của phương án này là chất lượng khí biogas (%CH4), điều kiện thời tiết, áp suất khí tại bể có thể ảnh hưởng đến tỷ lệ không khí/biogas dẫn tới ảnh hưởng đến hoạt động không ổn định của động cơ
Việc cải tạo động cơ xăng sang sử dụng nhiên liệu biogas khá đơn giản Tuy nhiên động cơ xăng có dải công suất nhỏ, vì vậy với các mục đích sử dụng động cơ có
19 công suất lớn hơn thì chủ yếu là động cơ diesel Hơn nữa với hỗn hợp cháy nghèo ở vùng tốc độ cao khó có thể đáp ứng được hiệu quả về mặt công suất Vì vậy để phục vụ cho các mục đích sử dụng động cơ biogas có công suất lớn hơn ta hướng tới cải tạo động cơ diesel thành động cơ biogas
Việc cải tạo động cơ diesel sang động cơ biogas phức tạp hơn rất nhiều so với việc cải tạo động cơ xăng Dưới đây là quy trình tổng quát cải tạo động cơ sử dụng nhiên liệu diesel sang sử dụng nhiên liệu biogas Để cải tạo động cơ nguyên bản sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống sang sử dụng nhiên liệu biogas có các phương án cải tạo: động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu biogas/diesel; động cơ sử dụng nhiên liệu biogas hoàn toàn Tùy thuộc vào phương án cải tạo mà việc cải tạo sẽ có những quy trình khác nhau Những lợi thế của phương án này lại là nhược điểm của phương án kia
Các phương án cung cấp nhiên liệu khí biogas
Việc cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ biogas chế tạo mới hay trong động cơ biogas chuyển đổi từ động cơ chạy nhiên liệu truyền thống thường không có gì khác biệt và đều là đối tượng được quan tâm nghiên cứu nhiều để nâng cao tính kinh tế, tính hiệu quả và giảm phát thải cho động cơ Có nhiều phương pháp cung cấp và tạo hỗn hợp cho động cơ biogas tương tự như các phương pháp cung cấp nhiên liệu
20 và tạo hỗn hợp trong động cơ xăng Đó là phương pháp cung cấp nhiên liệu biogas vào đường nạp bằng cách sử dụng bộ hòa trộn (hay bộ chế hóa khí) có họng venturi hay cung cấp biogas bằng cách phun vào đường nạp, sát xupap nạp và phương pháp phun trực tiếp nhiên liệu vào trong xilanh động cơ Mỗi phương pháp đều có một ưu nhược điểm nhất định
Hệ thống cung cấp biogas vào đường nạp sử dụng bộ hòa trộn có kết cấu rất đơn giản, dễ chế tạo, dễ lắp đặt và giá thành rất rẻ nên được sử dụng từ lâu giống như trên các động cơ chạy khí (CNG, LPG) nói chung Ngày nay hệ thống này vẫn được sử dụng rất rộng rãi, đặc biệt là trên các động cơ biogas chuyển đổi từ động cơ xăng truyền thống vì chỉ cần lắp thêm hệ thống này lên động cơ và khóa đường xăng lại là động cơ có thể làm việc với nhiên liệu biogas Các bộ hòa trộn có kết cấu đơn giản, tuy nhiên có một số nhược điểm là làm tăng tổn thất dòng khí nạp, chất lượng hòa trộn biogas với không khí không tốt
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống cung cấp biogas dùng ống venturi có lỗ xung quanh họng
Hiện nay, để nâng cao chất lượng hệ thống cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp bằng phương pháp sử dụng bộ hòa trộn, người ta sử dụng phương pháp điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp bằng điện tử Trên hệ thống cung cấp nhiên liệu này người ta trang bị thêm một van tiết lưu nhiên liệu điều khiển điện tử trên đường dẫn nhiên liệu biogas từ bộ giảm áp đến bộ hòa trộn như giới thiệu trên sơ đồ Hình 2.2 Áp suất hơi của nhiên liệu sau bộ giảm áp được duy trì lớn hơn áp suất khí trời một chút Van tiết lưu nhiên liệu được điều khiển mở to, nhỏ nhờ bộ điều khiển điện tử để điều chỉnh lưu lượng nhiên liệu biogas vào họng luôn phù hợp với chế độ làm việc của động cơ, tức là đảm bảo hệ số dư lượng không khí luôn tối ưu ở các chế độ làm việc của động cơ Phương án này có khắc phục được nhược điểm của phương pháp sử dụng bộ hòa trộn Tuy nhiên để hệ thống có thể hoạt động ổn định cần đảm bảo độ tin cậy của hệ thống điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp bằng điện tử
Hình 2.2 Sơ đồ cung cấp biogas trên động cơ dùng bộ trộn và điều khiển điện tử
21 Chú thích: 1-Nguồn biogas; 2-Van điện từ đóng mở đường nhiên liệu; 3- Bơm tăng áp; 4- ECU; 5-Van tiết lưu điều khiển bằng điện tử; 6-Bộ chế hòa khí xăng; 7-Bộ hòa trộn; 8-Van điện từ đóng mở đường xăng; 9- Bình xăng
Nhìn chung, các hệ thống cung cấp biogas và tạo hỗn hợp nhờ sử dụng bộ hòa trộn có ưu điểm là lắp đặt và điều chỉnh dễ dàng; Mặt khác có thể sử dụng song song hoặc độc lập 2 loại nhiên liệu xăng và biogas tùy theo điều kiện sử dụng Tuy nhiên, hệ thống cung cấp biogas sử dụng bộ hòa trộn cũng có nhược điểm như của bộ chế hòa khí trong động cơ xăng là có tổn thất khí động do sức cản của ống venturi và sự không đồng nhất của hỗn hợp giữa các xilanh (động cơ nhiều xilanh) Điều này sẽ làm xấu đi các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ so với phương pháp phun biogas vào đường nạp
Hình 2.2 trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun biogas vào đường nạp theo nguyên lý phun đa điểm Nguyên lý điều khiển phun biogas đa điểm bằng điện tử hoàn toàn tương tự như hệ thống phun xăng đa điểm Chỉ có một điểm khác là các vòi phun biogas được bố trí trên một cụm và từ mỗi vòi phun này có một đường dẫn nhiên liệu khí tới cửa nạp của mỗi xilanh động cơ Áp suất hơi sau bộ giảm áp và trước vòi phun được duy trì vào khoảng 1-3 bar tùy theo yêu cầu của mỗi hệ thống Hệ phống phun biogas vào cửa nạp khắc phục được một số nhược điểm của hệ thống cung cấp biogas dùng bộ hòa trộn Hệ thống không bị tổn thất khí động qua họng khuếch tán và đảm bảo định lượng chính xác và độ đồng đều giữa các xilanh nên tăng được công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải so với sử dụng bộ chế hòa khí hay bộ hòa trộn Tuy nhiên bộ điều khiển vòi phun được thiết kế cần đảm bảo độ tin cây, khả năng hoạt động ổn định, không bị nhiễu ảnh hường từ bất kỳ tín hiệu nào Độ chính xác rất cao, vì vậy đòi hỏi kỹ thuật cao trong thiết kế chế tạo Hơn nữa việc thiết kế một bộ vi xử lý điều khiển phun nhiên liệu không hề đơn giản Cần có sự tính toán để xác định được đặc tính cung cấp nhiên liệu theo từng chế độ hoạt động của động cơ Bởi lượng nhiên liệu tiêu thụ mỗi chu trình sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng sinh công và công suất động cơ Phương án này khá phức tạp
Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống phun biogas vào đường nạp theo nguyên lý phun đa điểm
1-Nguồn biogas; 2-Van điện từ đóng mở đường nhiên liệu; 3- Bơm tăng áp; 4-Ống phân phối;5-Đường cấp biogas; 6-Động cơ; 7-ECU 8- Tín hiệu tốc từ các cảm biến; 9- Dây điều khiển vòi phun
Một phương án cung cấp nhiên liệu biogas có thể được áp dụng tương tự như hệ thống phun trực tiếp khí thiên nhiên nén CNG (Compress Natural Gas) vào trong xilanh
22 động cơ được mô tả trên Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống phun biogas vào đường nạp theo nguyên lý phun đa điểm Nguyên lý làm việc của hệ thống phun trực tiếp CNG cũng tương tự hệ thống phun xăng trực tiếp GDI CNG được hạ áp tới áp suất phun phù hợp và phun trực tiếp vào xilanh của động cơ qua vòi phun điện từ Hỗn hợp nhiên liệu- không khí được tạo thành trong xilanh động cơ dưới dạng phân lớp hoặc đồng nhất tùy theo chế độ làm việc của động cơ Theo sơ đồ Hình 2.4, CNG từ bình chứa được dẫn tới bộ điều áp rồi đưa tới vòi phun Áp suất khí được điều chỉnh ổn định nhờ bộ điều áp CNG thông qua bộ điều khiển tử ECU Bộ điều khiển ECU mở vòi phun để phun nhiên liệu vào động cơ đảm bảo đúng thời điểm, đủ lượng phun phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ Hệ thống phun trực tiếp CNG khắc phục được ảnh hưởng chiếm chỗ không khí nạp của phương pháp cung cấp CNG vào đường nạp của động cơ nên có thể duy trì được công suất tương tự như khi chạy nhiên liệu xăng [33] Tuy nhiên, phương pháp này phức tạp nên thường được áp dụng trên động cơ CNG chế tạo mới và khó áp dụng được trên các động cơ chuyển đổi
Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống phun CNG trực tiếp
Hai phương pháp dùng bộ hòa trộn hay phun trên đường nạp có thể áp dụng để chuyển đổi động cơ truyền thống đang lưu hành sang sử dụng nhiên liệu biogas Tuy nhiên, cả hai phương pháp đều gặp phải vấn đề là ảnh hưởng chiếm chỗ không khí nạp của nhiên liệu biogas làm giảm lượng hỗn hợp nạp vào xilanh, từ đó làm giảm tính năng kỹ thuật của động cơ trên một đơn vị thể tích công tác Nhược điểm này được khắc phục nhờ phương pháp phun trực tiếp biogas vào xilanh động cơ tương tự như động cơ phun xăng trực tiếp GDI Khí biogas được điều chỉnh tới áp suất phun phù hợp và phun trực tiếp vào xilanh của động cơ qua vòi phun điện từ Hỗn hợp nhiên liệu-không khí được tạo thành trong xilanh động cơ dưới dạng phân lớp hoặc đồng nhất tùy theo chế độ làm việc của động cơ Hệ thống phun trực tiếp biogas khắc phục được ảnh hưởng chiếm chỗ không khí nạp của phương pháp cung cấp biogas vào đường nạp của động cơ nên có thể duy trì được công suất tương tự như khi chạy nhiên liệu xăng Tuy nhiên, phương pháp này phức tạp cũng như hệ thống phụ trợ để nén khí biogas lên áp suất cao trước khi cấp vào động cơ là không phù hợp với điều kiện thực tế ở nông thôn
Nhiên liệu được chưa trong bình tích áp và sử dụng phương pháp phun nhiên liệu là một giải pháp tối ưu về tính kinh tế kỹ thuật Tuy nhiên để có thể nén được nhiên liệu khí như khí biogas lại là một bài toán đòi hỏi về công nghệ và chi phí lớn Do đó phù hợp nhất là phương án cung cấp khí biogas trực tiếp qua ống venturi và hình thành hỗn hợp hòa khí từ bên ngoài
4- Máy tính điều khiển; 5- Bộ giảm áp;
6- Vòi phun khí CNG; 7- Động cơ
Giảm tỷ số nén
Động cơ sử dụng nhiên liệu biogas có thể tỷ số nén lên tới 16:1 [10] Khí biogas có trị số RON vào khoảng 130 nên động cơ biogas có thể sử dụng ở tỷ số nén khá cao mà không bị kích nổ Theo nghiên cứu của Martin Malenshek và cộng sự [12], nhiên liệu biogas với 60% CH4 và 40% CO2 kích nổ ở tỷ số nén 17,6÷1 với hệ số nạp ηv 0,682 Với động cơ có tăng áp, để nhiên liệu không bị kích nổ thì tỷ số nén cần thấp hơn nữa Tỷ số nén của động cơ biogas nằm giữa tỷ số nén của động cơ xăng và động cơ diesel Đối với việc chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ sử dụng hoàn toàn nhiên liệu biogas thì một trong những vấn đề quan trọng đó là tỷ số nén Để không xảy ra kích nổ, động cơ biogas cải tạo từ động cơ diesel buộc phải giảm tỷ số nén Ta có:
Trong đó: ɛ : Tỷ số nén của động cơ
Vh: Thể tích công tác của động cơ
Vc: Thể tích buồng cháy động cơ
Như vậy để có thể giảm tỷ số nén của động cơ hoặc là giảm thể tích công tác Vh hoặc là tăng thể tích buồng cháy Vc Để giảm thể tích công tác kết cấu khuỷu trục thanh truyền sẽ được thay đổi Có thể làm ngắn thanh truyền hoặc thay đổi bán kính quay cổ khuỷu Điều này làm ảnh hưởng lớn tới các kết cấu cơ khí của động cơ Đặc biệt khi thay việc đổi kích thước khuỷu trục thanh truyền cần phải tính toán tới động học và động lực học của động cơ Với động cơ nhiều xi lanh, phương án thay đổi này còn khó khăn hơn rất nhiều, tốn nguyên công So với tiêu chí cải tạo tác giả đề gia thì phương án này là không phù hợp Vì vậy tác giả lựa chọn phương án thứ hai đó là tăng thể tích buồng cháy Vc Gọi ɛx là tỷ số nén mới của động cơ sau khi cải tạo
Vx là thể tích buồng cháy cần tăng thêm
Khi đó tỷ số nén mới của động cơ sẽ là:
(3.3) Để có thể thay đổi thể tích buồng cháy ta có một số phương án như sau:
*) Tăng chiều dày của đệm nắp máy
Gọi α là chiều dày đệm nắp máy cần tăng thêm Khi đó thể tích được tăng sẽ là:
(3.4) Để giảm tỷ số nén từ ɛ xuống tỷ số nén ɛx thể tích buồng cháy tăng thêm là Vx Như vậy ta có:
Với D là đường kính Xi lanh, S là hành trình piston
25 Như vậy để giảm tỷ số nén từ ɛ xuống còn ɛx một đệm nắp máy có chiều dày α được lắp thêm Phương án này không làm ảnh hưởng nhiều đến kết cấu của động cơ Các kết cấu cơ khí của động cơ nguyên bản đều được giữ nguyên Tuy nhiên phương án này không phù hợp do việc tăng kích thước đệm nắp máy sẽ làm ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của tổ động cơ MPĐ KSH Cụ thể khi hoạt động trong thời gian dài, đệm quá dày sẽ không đảm bảo kín khít, dễ bị rỉ dầu nhớt, hoặc thổi gioăng nắp máy Không đảm bảo tuổi thọ
Thể tích phần khoét gọt bằng với thể tích Vx đã tính toán ở trên Việc quan trọng là lựa chọn được vị trí khoan trên piston Việc này cực kỳ quan trọng, nếu lựa chọn vị trí không phù hợp sẽ làm ảnh hưởng đến kết cấu của piston làm giảm độ tin cậy và tuổi thọ làm việc Vị trí khoan trên piston sẽ được lựa chọn sao cho khi kết hợp với sự chuyển động tịnh tiến của piston trong xi lanh môi chất trong xi lanh có sự chuyển động lốc xoáy lớn nhất để tăng khả năng hòa trộn hỗn hợp Để đạt được điều này cần tính toán và xây dựng mô hình trên các phần mềm mô phỏng Ngoài ra phương án cắt gọt đỉnh piston sẽ làm thay đổi khối lượng chuyển động tịnh tiến, cần lưu ý đến vấn đề động lực học sau khi cải tạo Đặc biệt là chuyển vị và biến dạng của piston
Hình 2.5 Piston nguyên bản và sau hoán cải
Sau khi mô phỏng và tính toán, piston được gia công, loại bỏ một phần khối lượng tạo không gian trên đỉnh piston, cùng với nắp máy và thành xi lanh hình thành buồng cháy thống nhất tương tự như một động cơ xăng Ưu điểm của phương án này:
- Dễ dàng tiến hành gia công
- Không ảnh hưởng đến các chi tiết khác
- Có thể thay thế phụ kiện khi hư hỏng
Nhược điểm: Ảnh hưởng đến khối lượng piston-thanh truyền Để đánh giá ảnh hưởng của việc thay đổi hình dáng đỉnh piston và chế độ làm việc từ nhiên liệu diesel sáng nhiên liệu KSH Tác giả và nhóm nghiên cứu đã thực hiện nội dung tính toán mô phỏng đánh giá trường ứng suất và nhiệt độ trên đỉnh piston của động cơ sau khi hoán cải sang sử dụng nhiên liệu KHS Nội dung này được tác giả và
26 các cộng sự thực hiện trên cùng một động cơ nghiên cứu của luận văn Phần kết quả tính toán mô phỏng trường ứng suất cơ, nhiệt trên đỉnh piston của động cơ này đã được xuất bản trên tạp chí quốc tế thuộc danh mục Scopus Trong khuôn khổ nội dung của luận văn, tác giả không trình bày phần kết quả mô phỏng ở đây mà đưa vào Phụ lục của bản luận văn.
Hệ thống đánh lửa
Hệ thống bơm cao áp vòi phun của động cơ nguyên bản sẽ được lược bỏ Thay vào đó là hệ thống đánh lửa điện tử Với động cơ sau chuyển đổi, bơm cao áp được tháo bỏ Vị trí vòi phun nhiên liệu diesel sẽ được tiến hành gia công để lắp đặt bugi đánh lửa Trục dẫn động bơm cao áp được chuyển đổi thành bộ tạo xung tín hiệu đánh lửa Các cảm biến từ tương ứng với từng máy được bố trí lần lượt theo chiều quay của trục dẫn động
Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa sử dụng trên động cơ MPĐ KSH được thể hiện trên Hình 2.6
Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa
Khi động cơ làm việc, trục cam (1) quay với tốc độ bằng ẵ tốc độ động cơ Cảm vị trí (2) được bố trí trên đĩa tròn có nhiệm vụ phát ra tín hiệu xung khi gặp vấu quay (3) được gắn trên trục cam (1) Số lượng cảm biến (2) và cách bố trí trên đĩa (4) tùy thuộc vào loại động cơ Hình 1 minh họa cách bố trí đối với động cơ có 4 xilanh thẳng hàng Tín hiệu từ cảm biến (2) được đưa về mạch đánh lửa (5) Tại đây tín hiệu được đưa qua mạch xử lý trước khi gửi tới bô bin đánh lửa (7) Khi có tín hiệu điều khiển tới bô bin (7), bô bin tạo điện cao áp đưa đến bu gi đánh lửa đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí Công tắc (6) có nhiệm vụ đóng-ngắt tín hiệu từ cảm biến gửi về mạch đánh lửa để phục vụ kiểm tra tình trạng hoạt động của bô bin đánh lửa
Vị trí tương đối giữa vấu quay (3) và trục (1) có thể dễ dàng điều chỉnh để điều chỉnh góc đánh lửa sớm phù hợp với từng động cơ Cảm biến (2) là loại cảm biến tiệm cận PNP, sử dụng nguồn điện DC 10-30V, khoảng cách phát hiện 2mm, tần số làm việc 1kHz Mạch đánh lửa có 6 cổng tín hiệu vào từ cảm biến và 6 cổng tín hiệu ra điều khiển bô bin; sử dụng nguồn DC 24V, tần số tín hiệu đầu vào và đầu ra 1kHz
27 Hình 2.7 cụm bơm cao áp trước và sau chuyển đổi
Trục này có tỷ lệ quay 1/2 so với trục khuỷu Thứ tự cảm biến được lắp đặt tương ứng theo thứ tự nổ từng máy là 1-4-2-6-3-5 theo chiều ngược kim đồng hồ khi nhìn từ phía đuôi cảm biến Khi có tín hiệu từ vị trí vấu sắt quét qua, tín hiệu sẽ truyền về bộ điều chỉnh để đưa ra tín hiệu 5V cho chân điều khiển của bô bin đánh lửa Khi có tín hiệu tới bo bin, gần như lập tức bugi sẽ đánh lửa
Vị trí lắp đặt vòi phun được chế tạo thành vị trí lắp đặt bô bin và bugi đánh lửa.
Hệ thống cung cấp nhiên liệu
Với việc sử dụng nhiên liệu khí biogas, một hệ thống cung cấp nhiên liệu được bố trí để đảm bảo việc cung cấp nhiên liệu cho hoạt động của động cơ Nhiên liệu và không khí sẽ được hòa trộn qua bộ hòa trộn dạng venturi trước khi qua bướm ga đi vào cổ nạp Bướm ga sẽ có nhiệm vụ điều tiết lượng hỗn hợp cấp cho động cơ, qua đó thay đổi công suất của động cơ
Nhiên liệu biogas chứa một lượng không nhỏ khí H2S, là loại khí gây ăn mòn các chi tiết kim loại Đặc biệt ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao trong buồng cháy của động cơ thì tốc độ ăn mòn còn nhanh hơn nữa Vì vậy, để động cơ đốt trong có thể làm việc lâu dài với khí biogas cần thiết phải xử lý thành phần H2S Có nhiều phương xử lý loại bỏ
H2S ra khỏi khí biogas Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà lựa chọn các phương án xử lý phù hợp Khí H2S có thể được xử lý bằng phương pháp hấp thụ bởi oxit sắt Trên cơ sở đó một hệ thống lọc khí do công ty CP Kankyo Việt Nam sản xuất được đưa vào hệ thống để loại bỏ H2S trước khi đưa biogas vào động cơ như thể hiện Hình 3.21 Các hạt lọc chủ yếu là sắt oxit, sau khi hấp thụ H2S có thể nhả hấp thụ để tái sinh hạt lọc khi tiếp xúc với không khí Do đó, hệ thống trang bị 2 tháp lọc để sử dụng luân phiên, khi một
28 tháp lọc đang trong quá trình hấp thụ H2S thì tháp lọc còn lại sẽ trong quá trình nhả hấp thụ Chất lượng khí biogas sau lọc duy trì được hàm lượng CH4 từ 60 đến 65%, hàm lượng CO2 từ 30 đến 35% và gần như loại bỏ hoàn toàn H2S (chỉ còn lại 3÷8 ppm)
Quá trình hấp thụ và nhả hấp thụ các hạt lọc sẽ xảy ra theo phương trình:
Hấp thụ: Fe2O3+ 3H2S → Fe2S3 + 3H2O (3.7) Nhả hấp thụ: 2Fe2S3 + 3O2 → 2Fe2O3 + 6S (3.8)
Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống lọc biogas sử dụng cho máy phát điện
Trong quá trình nhả hấp thụ, lượng không khí tiếp xúc với các hạt lọc phải được đưa qua một cách từ từ để tránh hiện tượng quá nhiệt, dễ gây cháy nổ Như đã trình bày về các phương pháp cung cấp nhiên liệu khí biogas, trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phương pháp cung cấp khí biogas qua bộ hòa trộn có họng khuếch tán kiểu ống venturi Hình 2.9 trình bày kết cấu bộ hòa trộn kiểu ống venturi có lỗ xung quanh họng Khí biogas sau lọc có áp suất dư nhỏ, chỉ khoảng 10-15 kPa, nên việc cung cấp nhiên liệu khí vào ống venturi hoàn toàn phụ thuộc vào kết cấu họng khuếch tán và lưu lượng không khí nạp đi qua họng Tức là việc cung cấp nhiên liệu hòa trộn hỗn hợp phụ thuộc chế độ làm việc của động cơ tương tự như nguyên lý tạo hỗn hợp trong bộ chế hòa khí của động cơ xăng
Hình 2.10 Hệ thống hòa trộn và cung cấp nhiên liệu cho động cơ KSH
29 Hình 2.11 Bộ tạo hỗn hợp nhiên liệu biogas dùng ống venturi có lỗ xung quanh họng
Van tiết lưu cơ để điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp sao cho động cơ hoạt động cơ hoạt động ổn định ở cả chế độ khởi động và toàn tải Ban đầu ở chế độ không tải, tỷ lệ hòa trộn sẽ được điều chỉnh sao cho động cơ dễ khởi động, máy chạy đều không có hiện tượng bỏ máy Sau đó tổ động cơ máy phát sẽ được thử tải để xác định tỷ lệ hòa trộn ở chế độ có tải Động cơ sẽ được duy trì ở chế độ 1500 vòng/phút và bướm ga mở hoàn toàn, tải sẽ được tăng dần bằng cách sử dụng các tải điện kết nối với động cơ Nếu động cơ không duy trì được tốc độ khi tăng dần từng tải điện, tiến hành mở lớn van tiết lưu để cung cấp thêm nhiên liệu biogas cho đến khi động cơ duy trì tốc độ ổn định 1500 vòng/phút Tiến hành việc tăng tải và kết hợp với điều chỉnh van tiết lưu cho đến khi động cơ xác lập ở một chế độ tải mà động cơ Ngắt các thiết bị tải và thử khởi động lại động cơ Kết quả thử nghiệm nhiều lần đã xác lập được một vị trí van tiết lưu mà tại vị trí này, động cơ vừa dễ dàng khởi động vừa có thể đáp ứng được các chế độ tải khác nhau Để khắc phục những hạn chế của phương án cung cấp khí biogas này, tác giả nghiên cứu sử dụng bộ điều chỉnh lưu lượng khí biogas điện tử Hệ thống này có nhiệm vụ xác định và duy trì hệ số dư lượng không khí (λ) của động cơ luôn ở một giá trị ổn định Trong nghiên cứu này, giá trị λ được duy trì bằng 1 Bộ điều chỉnh lấy tín hiệu điều khiển từ 1 cảm biến Lambda lắp trên đường thải và đưa về bộ điều khiển Bộ điều khiển thu nhận và xử lý tín hiệu nhận được, tính toán ra giá trị của λ Nếu giá trị nhỏ hơn 1, tức là hỗn hợp đậm, cần giảm lượng nhiên liệu cung cấp Bộ điều khiển sẽ xuất tín hiệu để điều khiển mô tơ tác động theo xu hướng tiết lưu đường cấp khí biogas lại nhằm giảm lượng biogas cung cấp Nếu giá trị λ lớn hơn 1, tức là hỗn hợp hòa khí nhạt cần cung cấp thêm nhiên liệu Bộ điều khiển lại tác động đến mô tơ để mở bướm biogas lớn hơn Cứ như vậy hệ số dư lượng không khí sẽ được duy trì Để đảm bảo độ tinh chỉnh được mịn, bước nhảy của mô tơ sẽ quay 2 o độ trong 1 vòng lặp
30 Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống máy phát điện biogas
Hệ thống điều tốc
Để đảm bảo tần số điện phát ra của máy phát là 50 Hz phù hợp với thiết bị điện sử dụng tại Việt Nam, động cơ máy phát điện biogas được trang bị bộ ổn định tốc độ Hình X trình bày sơ đồ nguyên lý bộ ổn định tốc độ động cơ Nguyên lý hoạt động là điều khiển lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ khi chế độ làm việc thay đổi để động cơ giữ ổn định ở một chế độ cố định Đầu tiên cảm biến 1 lấy tín hiệu tốc độ và gửi về bộ điều khiển 2 Bộ điều khiển có nhiệm vụ xác định tốc độ và đưa ra tín hiệu đến cơ cấu chấp hành 3 Dựa vào tín hiệu điều khiển mô tơ 3 sẽ kéo bướm ga 5 để thay đổi lượng hỗn hợp cung cấp cho động cơ, từ đó thay đổi tốc độ của độ của động cơ Bộ điều khiển có thể được cài đặt để điều khiển động cơ xác lập ở một chế độ vòng quay bất kỳ Trong nghiên cứu này, khi tải ngoài thay đổi tốc độ động cơ sẽ được ổn định ở chế độ
1500 v/ph và tần số máy phát ra ổn định ở 50 Hz
Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý bộ ổn định tốc độ
31 Để đảm bảo tính năng hoạt động của tổ máy phát điện, một hệ thống điều tốc được bố trí lắp đặt trên động cơ Hệ thống bao gồm Bộ điều khiển điều tốc, mô tơ điều tốc, van bướm ga, cảm biến tốc độ Bộ điều tốc có chức năng giữ cho tốc độ động cơ ổn định khi có sự thay đổi tải Bằng cách thay đổi lượng hỗn hợp cung cấp cho động cơ qua van bướm ga được bố trí trước đường nạp vào xi lanh động cơ Với yêu cầu các thiết bị điện ở nước ta hiện nay hoạt động ở tần số 50Hz, thì tốc độ của động cơ phải được duy trì ổn định ở 1500 v/ph khi tải thay đổi.
Kết luận chương 2
Chương 2 đã trình bày các cơ sở lý thuyết về chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống xăng/diesel sang sử dụng nhiên liệu biogas Từ đó tiến hành chuyển đổi động cơ máy phát điện từ sử dụng nhiên liệu diesel sang sử dụng hoàn toàn nhiên liệu biogas Dựa theo kinh nghiệm nghiên cứu, tác giả đã lựa chọn giải pháp kỹ thuật chuyển đổi đảm bảo được các yếu tố về khả năng vận hành và tuổi thọ Nghiên cứu đã được thực nghim vận hành thương mại hóa Tuy nhiên để nâng cao hiệu quả khai thác và sử dụng nhiên liệu biogas đặc biệt để sản xuất điện năng từ nhiên liệu biogas, cần có những nghiên cứu đánh giá chuyên môn sâu hơn
Ngoài ra chương 2 cũng đã trình bày một nghiên cứu mở rộng để có thêm cơ sở khoa học đánh giá phương án chuyển đổi động cơ máy phát điện từ nguyên bản sử dụng nhiên liệu diesel sang sử dụng nhiên liệu khí sinh học Đó là nghiên cứu về tải trọng cơ và nhiệt tác động lên đỉnh piston động cơ khí sinh học chuyển đổi từ động cơ diesel nguyên bản bằng phương pháp mô phỏng
Chương 2 đã trình bày đầy đủ nội dung nghiên cứu cải tạo động cơ máy phát điện từ sử dụng nhiên liệu diesel sang sử dụng nhiên liệu biogas có nguồn gốc từ chăn nuôi Nội dung chương 2 đã trình bày cụ thể các hạng mục cải tạo một động cơ máy phát điện diesel sang sử dụng nhiên liệu biogas Để đánh giá được khả năng vận hành sử dụng và đánh giá tính năng kỹ thuật của động cơ, cụm động cơ máy phát điện được tiến hành chạy thực nghiệm tại trang trại Chương tiếp theo sẽ trình bày cụ thể nội dung này.
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Đối tượng và nhiên liệu thử nghiệm
Trên cơ sở động cơ diesel nguyên bản, tác giả hoán cải động cơ bằng cách trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống điều khiển tốc độ điện tử thay cho hệ thống cung cấp nhiên liệu cơ và điều tốc cơ khí khí nguyên bản Ngoài ra các thông số và hệ thống khác cũng được thay đổi như giảm tỉ số nén, trang bị hệ thống đánh lửa có thể điều chỉnh được góc đánh lửa sớm
Nhiên liệu được sử dụng trong quá trình thử nghiệm là nhiên liệu biogas thu được từ hầm tạo khí biogas tại trang trại Thông số nhiên liệu biogas được thể hiện trong Bảng 3.1 để thuận lợi cho việc xem xét, có nhiên liệu diesel làm đối chứng
Bảng 3.1 Tính chất lý hóa của nhiên liệu diesel và biogas Đặc tính Diesel Biogas
Công thức hóa học C12H26 57% CH4, 41% CO2,
0.18% CO, 0.18% H2, và một số tạp chất khác Khối lượng riêng (kg/m 3 ) 840 1.2 tại 1 atm, 15 o C Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 42