Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống hoàn lưu khí thải động cơ hanshin 6LU32

Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu tính toán, thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống hoàn lưu khí thải cho động cơ diesel HANSHIN 6LU32 thuộc Trung tâm nghiên cứu hệ động lực tàu thủy - Khoa Máy tàu biển, nhằm mục đích giảm thiểu phát thải khí NOx trong khí thải của động cơ diesel đáp ứng Phụ lục VI Công ước Marpol 73/78 về bảo vệ môi trường biển của Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO).

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG HỒN LƯU KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ HANSHIN 6LU32 RESEARCH ON DESIGN AND EXPERIMENT MANUFFACTURE OF THE EXHAUST GAS RECIRCULATION SYSTEM FOR ENGINE HANSHIN 6LU32 NGUYỄN ĐẠI AN*, ĐẶNG VĂN UY, NGUYỄN HUY HÀO Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: annd.mtb@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu tính toán, thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống hồn lưu khí thải cho động diesel HANSHIN 6LU32 thuộc Trung tâm nghiên cứu hệ động lực tàu thủy - Khoa Máy tàu biển, nhằm mục đích giảm thiểu phát thải khí NOx khí thải động diesel đáp ứng Phụ lục VI Công ước Marpol 73/78 bảo vệ môi trường biển Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) Từ khóa: Hệ thống hồn lưu khí thải, động diesel, phát thải khí NOx, Cơng ước Marpol 73/78, môi trường biển Abstract The article introduces the results of research on calculation, design and experiment manufacture of Exhaust Gas Recirculation system for the diesel engine HANSHIN 6LU32 in the Research Center of Marine Propulsion Plan - Marine Engineering Faculty, with aim of reducing NOx emission in the exhaust gases to meet Annex VI of the International Convention for the Prevention of Pollution from ships Marpol 73/78 Keywords: Exhaust Gas Recirculation system, diesel engine, NOx emissions, Marpol 73/78 Convention, marine environment Mở đầu Một biện pháp hiệu áp dụng nhiều thực tế nhằm làm giảm phát thải khí NOx động diesel sử dụng cơng nghệ hồn lưu khí thải EGR (Exshaust Gas Recirculation) Tuy nhiên, việc trộn lẫn kiểm sốt tỷ lệ khí thải hồn lưu lại vấn đề không đơn giản Bởi tải động thay đổi bất thường, thiết phải trì tỷ lệ khí thải hồn lưu ổn định, mức độ đồng thể khơng khí nạp khí thải hoàn lưu yếu tố định chất lượng làm việc động diesel hòa trộn khơng khí khí thải hồn lưu cách tốt trước nạp vào động việc cần thiết, việc kiểm soát tỷ lệ khơng khí - khí thải hồn lưu nhiệm vụ không phần quan trọng Trên thực tế, người ta áp dụng phương án khác để cấp khí thải hồn lưu vào động như: sử dụng hệ thống hoàn lưu áp suất cao, hệ thống hoàn lưu áp suất thấp, cấp vào cửa hút máy nén tăng áp, cấp vào phía sau máy nén, Mỗi giải pháp cấp khí thải hồn lưu vào động có ưu nhược điểm khác nhau, phụ thuộc vào loại động cơ, nhiên liệu sử dụng, công suất động cơ, mà người ta lựa chọn hệ thống thích hợp Bài báo trình bày tính tốn, thiết kế, chế tạo thử nghiệm thành cơng hệ thống hồn lưu khí thải trực tiếp vào cửa hút máy nén tăng áp cho động HANSHIN 6LU32 thuộc Trung tâm nghiên cứu hệ động lực tàu thủy - Khoa Máy tàu biển trường hợp khơng sử dụng có sử dụng hồn lưu khí thải (EGR) với tỷ lệ 20% chế độ 50%, 75% 85% tải làm sở để triển khai áp dụng cho động tàu thủy đội tàu biển Việt Nam nhằm giảm hàm lượng NOx khí thải động Nội dung 2.1 Lựa chọn giải pháp trộn khơng khí khí thải hồn lưu Trên thực tế, có nhiều giải pháp để hồn lưu khí thải vào động diesel như: - Cấp khí thải vào sau máy nén tua bin tăng áp sử dụng vòi phun kiểu ống venturi; - Cấp khí thải vào cửa hút máy nén tua bin tăng áp Giải pháp lựa chọn hệ thống áp suất thấp Giải pháp có ưu điểm sau: - Khí thải hồn lưu cấp chủ động thông qua ứng dụng quạt tăng áp; - Giải pháp thích hợp động công suất lớn, cần cấp lượng khí thải hồn lưu tương đối lớn; Việc nghiên cứu thiết kế tạo thiết bị nhằm SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 19 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY - Hệ thống có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo bảo dưỡng; - Có thể kiểm sốt lượng khí thải hồn lưu cách xác Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm trên, cần đặc biệt lưu ý khả làm bẩn cánh máy nén tăng áp trình khai thác chất lượng khí thải khơng đảm bảo Phương pháp cấp khí thải hoàn lưu vào cửa hút máy nén giải pháp công nghệ tương đối đơn giản Theo phương pháp này, khí thải hồn lưu dẫn đến cấp vào cửa hút máy nén tăng áp Tại đây, khơng khí với khí thải hồn lưu trộn với tăng áp trước cấp vào động Trên Hình trình bày sơ đồ ngun lý phương pháp cấp khí thải hồn lưu vào trước máy nén tua bin tăng áp động HANSHIN 6LU32 Ở trường hợp này, khí thải sau xử lý tháp lọc khí thải (4), làm phin lọc (5) quạt (11) đẩy tới hịa trộn với khơng khí (10) trước vào máy nén tua bin tăng áp (2), sau tăng áp, hỗn hợp làm mát bầu làm mát (8) trước cấp vào cửa nạp động (1) Vấn đề hịa trộn khơng khí với khí thải hồn lưu kiểm sốt tỷ lệ khí thải hồn lưu hỗn hợp đo đạc áp kế (6), lưu lượng kế (7) phân phối vào máy nén tăng áp thiết bị (9) Hệ thống hồn lưu khí thải thiết kế, chế tạo lắp đặt hoàn chỉnh động HANSHIN 6LU32 thuộc Trung tâm nghiên cứu hệ động lực tàu thủy Khoa Máy tàu biển (Hình 2) Hình Hệ thống hồn lưu khí thải động 6LU32 Cửa hút máy nén tăng áp; Cửa cấp khí thải hồn lưu; Van điều chỉnh lưu lượng khí thải; Quạt tăng áp khí thải; Đường dẫn khí thải hồn lưu; Tháp lọc khí thải 2.2 Tính tốn thiết kế hệ thống cấp khí thải hồn lưu Thực tế, hệ thống cấp khí thải hoàn lưu vào cửa nạp động diesel hệ thống khơng q phức tạp Trong q trình tính tốn thiết kế, điều quan trọng tính đường kính đường ống dẫn khí thải hồn lưu đến cửa nạp máy nén tăng áp, lựa chọn đặc tính kĩ thuật quạt tăng áp (năng suất áp suất tăng áp) sau lựa chọn van bướm lưu lượng kế Hình Sơ đồ hệ thống hồn lưu khí xả lắp đặt động Hanshin 6LU32 [1] 1- Động Hanshin 6LU32; - Tua bin tăng áp; 3- Van trích khí xả; 4- Tháp lọc SOx; - Phin lọc khí xả; - Áp kế; - Đo lưu lượng khí xả; - Bầu làm mát khí tăng áp; - Cửa cấp khí xả hồn lưu; 10 - Khơng khí vào máy nén tăng áp; 11- Quạt khí xả hồn lưu 20 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng Các thông số kỹ thuật động HANSHIN 6LU32 [2] STT Thông số Giá trị 6LU32 Số xi lanh Đơn vị Ký hiệu Động HANSHIN i Vòng quay định mức nđm vòng/phút 340 Cơng suất định mức Neđm kW/hp 970/1300 Đường kính xi lanh D mm 320 Hành trình piston S mm 510 Tốc độ trung bình piston W m/s 5,78 Áp suất cháy lớn Pz kG/cm2 90 Góc phun sớm 10 Suất tiêu hao nhiên liệu ps ge Việc tính tốn, thiết kế hệ thống hồn lưu khí thải cho động diesel 6LU32 thực dựa thông số kĩ thuật động (Bảng 1) yêu cầu kĩ thuật sau [1]: Lưu lượng khí thải hồn lưu: (20-30%); Lưu lượng khí nạp vào động lớn theo yêu cầu: mnap = 4701,79m3/h; Đường kính ống dẫn khí nạp từ máy nén đến bầu sinh hàn: 158mm 2.2.1 Tính tốn đường kính ống dẫn Việc thiết kế chế tạo hệ thống cấp khí thải hồn lưu vào cửa hút máy nén tính đường kính đường ống cấp khí thải Phương pháp tính đơn giản tính theo tỷ lệ lưu lượng khí thải hồn lưu tổng lưu lượng khí nạp vào động [4, 5]:  mEGR EGR %   m m EGR  air   100  (1) 𝑚̇𝑛ạ𝑝 = 𝑚̇𝑎𝑖𝑟 + 𝑚̇𝐸𝐺𝑅 Vậy với thiết kế sử dụng đến 30% lượng khí thải lưu hồi, theo cơng thức tính giá trị lượng khí thải lưu hồi cần thiết: 𝑚̇𝐸𝐺𝑅 = 30%𝑚̇𝑛𝑎𝑝 (2) m EGR = 0,3 × 4701,79 = 1410,537 (m3/h) d EGR d 158   91,22 (mm) 3 (4) 2.2.2 Lựa chọn quạt tăng áp Quạt tăng áp trang bị cho hệ thống hồn lưu khí thải với chức cấp lượng khí thải cần thiết SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 11 g/kW.h 200 Trên Bảng thông số kĩ thuật yêu cầu quạt tăng áp khí thải hoàn lưu cấp vào động 2.3 Kết thử nghiệm bình luận Sau tính tốn, hệ thống hồn lưu khí xả chế tạo, lắp đặt động chạy thử nghiệm với hai loại nhiên liệu DO FO điều kiện bình thường (khơng có hồn lưu khí xả) có hồn lưu khí thải với tỷ lệ khí thải hồn lưu 20%, chế độ tải khác (50%, 75% 85% tải) [1] Hệ thống thử nghiệm động 6LU32 bệ thử với phanh thử tải, hệ thống giám sát khí thải hãng AVL (Cộng hịa Áo) thiết bị đo TESTO 350 (Mỹ) [1] Kết thu thể Bảng Bảng Bảng Thông số kĩ thuật quạt tăng áp [1, 3] TT Thông số kĩ thuật Năng suất Áp suất (3) Vậy đường kính ống dẫn khí thải hồn lưu xác định [4, 5]: gqtk theo thiết kế vào cửa nạp động cơ, tạo áp suất phù hợp đảm bảo độ bền, độ tin cậy Thay số vào có: o Nhiệt độ công tác Vật liệu Động điện Giá trị Ghi 1500 - 2000 m3/h Max 1,4 bar 160oC Thép bon Không tạo tia lửa Tiêu chuẩn phát thải khí NOx qui định Phụ lục VI (MARPOL 73/78) áp dụng cho động diesel thủy 6LU32 cụ thể hóa Bảng Các kết thử nghiệm phát thải khí NOx so sánh, đánh giá hai trường hợp sử dụng nhiên liệu DO FO thề biếu đồ Hình Hình [3] 21 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng Kết phát thải sử dụng nhiên liệu DO Nhiên liệu DO Chế độ tải /vịng quay (EGR 0%) Thơng số phát thải NOx 50%/238v/ph 75%/273v/ph 85%/300v/ph mg/Nm3 mg/kW.h mg/Nm3 mg/kW.h mg/Nm3 mg/kW.h 1702 1458 6926 5935 10371 8887 Nhiên liệu DO Chế độ tải/vịng quay (EGR 20%) Thơng số phát thải NOx 50%/238v/ph mg/Nm3 1058 75%/273v/ph 85%/300v/ph mg/kW.h mg/Nm3 mg/kW.h mg/Nm3 mg/kW.h 906 4144 3525 6523 5559 Bảng Kết phát thải sử dụng nhiên liệu FO Nhiên liệu FO Chế độ tải/ vịng quay (EGR 0%) Thơng số phát thải NOx 50%/240v/ph mg/Nm3 1650 75%/275v/ph 85%/300v/ph mg/kW.h mg/Nm3 mg/kW.h mg/Nm3 mg/kW.h 1414 5910 5064,7 11015 9439,8 Nhiên liệu FO Chế độ tải / vòng quay (EGR 20%) Thông số phát thải NOx 50%/240v/ph mg/Nm3 1181 75%/275v/ph 85%/300v/ph mg/kW.h mg/Nm3 mg/kW.h mg/Nm3 mg/kW.h 1012 4271 3660,2 6308 5406 Bảng Tiêu chuẩn phát thải khí NOx động 6LU32 [6] Vùng khai thác Tiêu chuẩn phát thải NOx Thời gian áp dụng mg/Nm3 mg/kW.h Vùng biển chung 13430 11510 Từ 2011 Vùng biển đặc biệt (SECAs) 4320 2008 Từ 2016 Hình Mức độ giảm phát thải NOx động sử Hình Mức độ giảm phát thải NOx động sử dụng dầu DO tỷ lệ hồn lưu khí thải 20% dụng dầu FO tỷ lệ hồn lưu khí thải 20% 22 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Kết thử nghiệm cho thấy mức độ phát thải NOx động 6LU32 sử dụng nhiên liệu DO FO với tỷ lệ hồn lưu khí thải 20% giảm đáng kể so với không áp dụng hồn lưu khí thải nhỏ nhiều so với tiêu chuẩn phát thải vùng biển chung Kết luận Kết thiết kế lắp đặt thử nghiệm hệ thống hồn lưu khí thải (EGR) cho động 6LU32 khẳng định việc áp dụng giải pháp hồn lưu khí thải cho động tàu thủy kết hợp với giải pháp khác lắp đặt tháp hấp thụ SOx, NOx, hệ thống trộn nhiên liệu nhũ tương, mang lại hiệu rõ rệt việc giảm thiểu phát thải khí độc hại động diesel tàu thủy gây ra, góp phần thực phụ lục VI Công ước quốc tế MARPOL 73/78 nhằm bảo vệ môi trường biển Đặc biệt động sử dụng hồn lưu khí thải tỷ lệ ERG = 20% với nhiên liệu DO FO mức tải 50%, 75%, 85% thấp tiêu chuẩn vùng biển chung Còn vùng biển đặc biệt cần kết hợp nhiều biện pháp sơ cấp thứ cấp đạt tiêu chuẩn quy định Việc thiết kế, lắp đặt hệ thống với thiết bị bổ sung không phức tạp Tuy nhiên kết bước đầu, thực phịng thí nghiệm, để triển khai áp dụng cho đội tàu cần tiến hành thử nghiệm thực tế nhiều nữa, đồng thời cần có đánh giá tồn diện tiêu kinh tế - lượng động tiêu phát thải khác Trong thời gian tới nhóm nghiên cứu hướng tới việc thử nghiệm số tàu cụ thể, để từ đưa đánh giá xác SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Văn Uy nhóm nghiên cứu Xây dựng lộ trình giải pháp xử lý khí độc hại khí thải động diesel thủy đáp ứng yêu cầu công ước quốc tế MARPOL cho đội tàu biển Việt Nam, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ, Mã số: MT171002, 2017 [2] Trung tâm Nghiên cứu hệ động lực tàu thủy, Khoa Máy tàu biển Hồ sơ kỹ thuật động HANSHIN 6LU32 [3] Phạm Xuân Dương (chủ biên) tác giả, Kỹ thuật xử lý khí thải gây nhiễm từ động diesel tàu thủy đáp ứng Phụ lục VI, Công ước MARPOL 73/78, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2021 [4] MAN Diesel & Turbo Basic Principles of Ship Propulsion Denmark 2013; [5] MAN Diesel & Turbo; Exhaust Gas Emission Control Today and Tomorrow Copenhaghen, Denmark, 2013 [6] Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO), NOx Technical Code, 2008 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 25/6/2021 03/8/2021 09/8/2021 23 ... hồn lưu khí thải thiết kế, chế tạo lắp đặt hoàn chỉnh động HANSHIN 6LU32 thuộc Trung tâm nghiên cứu hệ động lực tàu thủy Khoa Máy tàu biển (Hình 2) Hình Hệ thống hồn lưu khí thải động 6LU32 Cửa... cấp khí thải hồn lưu; Van điều chỉnh lưu lượng khí thải; Quạt tăng áp khí thải; Đường dẫn khí thải hồn lưu; Tháp lọc khí thải 2.2 Tính tốn thiết kế hệ thống cấp khí thải hồn lưu Thực tế, hệ thống. .. thải với tỷ lệ khí thải hồn lưu 20%, chế độ tải khác (50%, 75% 85% tải) [1] Hệ thống thử nghiệm động 6LU32 bệ thử với phanh thử tải, hệ thống giám sát khí thải hãng AVL (Cộng hòa Áo) thiết bị đo