ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ 6D22 KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN CHO TRẠI CHĂN NUÔI Đà Nẵng - 2012 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ 6D22 KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN CHO TRẠI CHĂN NUÔI Sinh viên thực hiện: Hồ Văn Thư 07C4A Võ Duy Thịnh 07C4B Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Trần Thanh Hải Tùng Giáo viên duyệt: ThS. Nguyễn Quang Trung Đà Nẵng - 2012 2 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, trên lãnh thổ Việt Nam có rất nhiều trang trại chăn nuôi lớn tập trung với quy mô công nghiệp, các trang trại này cần rất nhiều năng lượng để phục vụ cho hoạt động sản xuất của mình, đặc biệt là điện năng. Nguồn cung cấp điện năng chủ yếu là từ lưới điện quốc gia, tuy nhiên việc gia tăng giá điện và cắt điện thường xuyên trong các năm gần đây gây rất nhiều khó khăn trở ngại cho các trang trại trong quá trình sản xuất của mình. Các trại chăn nuôi trong quy hoạch xây dựng thường có sẵn hầm biogas với thể tích hầm lớn, tuy nhiên lượng biogas đó chỉ mới được tận dụng để làm khí đốt, phần dư thừa bị đốt bỏ gây lãng phí. Trong khi đó, biogas hoàn toàn có thể sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như kéo máy phát điện, máy bơm nước… phục vụ cho nhu cầu sử dụng năng lượng cho chính các trang trại. Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển công nghệ chuyển đổi động cơ dùng nhiên liệu truyền thống sang dùng biogas là một hướng đi mang nhiều lợi ích thiết thực. Đây là lý do mà chúng em đã chọn đề tài: “Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi” để phục vụ cho đồ án tốt nghiệp của mình. Chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô giáo trong bộ môn, các thành viên thuộc Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng Năng lượng thay thế Đại học Đà Nẵng và đặc biệt là PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng đã giúp chúng em hoàn thành đề tài. Đà Nẵng, ngày 12 tháng 06 năm 2012. Sinh viên thực hiện Hồ Văn Thư Võ Duy Thịnh 3 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi MỤC LỤC Trang MỤC LỤC 1 1. Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu 4 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 4 1.2 Mục đích của đề tài 5 1.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 5 1.4 Ý nghĩa của đề tài 5 2. Sản xuất và sử dụng biogas 6 2.1 Giới thiệu về biogas 6 2.2 Sơ đồ sản xuất biogas từ chất thải chăn nuôi 6 3. Nhu cầu năng lượng ở một trại chăn nuôi 10 3.1 Nhu cầu năng lượng của một trại chăn nuôi 10 3.2.3 Năng lượng hoá thạch 10 3.2.5 Năng lượng từ khí sinh học (Biogas) 11 4. Mô hình bố trí động cơ chạy biogas kéo máy phát điện ở một trang trại chăn nuôi 11 4.1 Hầm biogas 11 4.2 Hệ thống lọc khí H2S 12 4.3 Túi chứa khí. 14 4.4 Động cơ 14 5. Khảo sát động cơ 6D22 15 5.1 .Giới thiệu động cơ 15 5.2 Thông số kỹ thuật của động cơ 15 5.3 Cơ cấu piston- thanh truyền – trục khuỷu 16 5.3.1 Piston 16 5.3.2 Thanh truyền. 17 5.3.3 Trục khuỷu 17 5.4 Các cơ cấu, hệ thốngkhác trên động cơ 17 5.4.1 Cơ cấu phân phối khí 17 5.4.2 Hệ thống làm mát 18 5.4.3 Hệ thống bôi trơn 19 5.4.4 Hệ thống nhiên liệu 19 6. Tính toán chu trình nhiệt cho động cơ 6D22 20 1 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi 6.1 Tính toán chu trình nhiệt cho động cơ 6D22 trước cải tạo 20 6.1.1.Thông số kỹ thuật của động cơ: 20 6.1.2. Thông số chọn để tính toán : 20 6.1.3.Trình tự các bước tính toán: 20 6.1.4.Vẽ đồ thị công: 27 6.2. Tính toán chu trình nhiệt động cơ sử dụng 100% biogas 31 6.2.1. Thông số cho trước của động cơ 31 6.2.2. Thông số chọn của động cơ . 32 6.2.3. Thông số tính toán 32 6.2.4.Trình tự các bước tính toán: 33 6.2.5.Vẽ đồ thị công: 40 6.3 So sánh và nhận xét kết quả tính toán 42 7.2. Tính toán thiết kế bộ hòa trộn. 49 7.2.1 Lựa chọn phương án thiết kế bộ hòa trộn 49 7.2.2 Lựa chọn bộ hòa trộn. 50 7.2.3 Tính toán thiết kế bộ hòa trộn. 50 7.2.4. Thiết kế quy trình công nghệ chế tạo bộ hòa trộn: 54 7.3. Tính toán thiết kế van tiết lưu biogas. 57 7.3.1 Nhiệm vụ, yêu cầu của van tiết lưu 57 7.3.2. Phân tích chọn phương án thiết kế van tiết lưu 57 7.3.3.Tính toán van tiết lưu 58 7.4. Điều khiển tốc độ động cơ . 61 7.4.1.Nhiệm vụ, yêu cầu của bộ điều tốc: 61 7.4.2.Các phương án điều tốc động cơ sau khi cải tạo: 61 7.4.3.Lựa chọn phương án điều tốc: 63 7.4.4.Bộ điều tốc điện tử GAC: 63 7.5.Tính toán giảm tỷ số nén cho động cơ 65 7.5.1 Lựa chọn phương án để giảm tỷ số nén động cơ. 65 7.5.2 Tính toán đoạn piston cần tiện bớt để đạt giá trị tỷ số nén cần thiết 66 7.5.3 Tính bền piston sau khi cải tạo 68 7.6.Thiết kế hệ thống đánh lửa. 70 7.6.1 Tổng quan hệ thống đánh lửa trên động cơ 70 7.6.2 Lựa chọn các phương án cho hệ thống đánh lửa. 71 7.6.3 Hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm 71 7.6.4 Thiết kế dẫn động bộ chia điện 76 7.6.5 Thay thế vòi phun bơm cao áp bằng bugi đánh lửa: 77 8. Lắp đặt, vận hành và đánh giá kết quả: 79 8.1. Giới thiệu về trại chăn nuôi 79 8.2 Lắp đặt và vận hành 79 8.2.1 Chuẩn bị: 79 8.2.2 Lắp đặt: 79 8.2.3 Vận hành: 81 8.3 Đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật sau 3 tháng vận hành 82 8.3.1 Tính kinh tế: 82 8.3.2 Tính kỹ thuật: 84 9. Kết luận: 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 2 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi 3 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi 1. Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu. 1.1 Tính cấp thiết của đề tài. Từ khoảng hơn mười năm gần đây, việc sử dụng biogas đã trở nên quen thuộc đối với người dân Việt Nam. Ở một nước nông nghiệp như Việt Nam thì phát triển công nghệ biogas là một hướng đi tất yếu. Các hầm biogas một mặt cung cấp khí sinh học cho người dân và mặt khác, giúp người dân xử lý các chất thải từ chăn nuôi và các hoạt động sản xuất khác, góp phần bảo vệ tài nguyên và môi trường; ngoài ra, bả thải từ quá trình sản xuất biogas có thể sử dụng làm phân bón nông nghiệp. Những năm trở lại đây, ô nhiễm môi trường, hiện tượng ấm lên của Trái Đất cùng với sự cạn kiện các nguồn năng lượng hóa thạch đang là vấn đề vô cùng nhức nhối của toàn cầu. Nhân loại đang cố gắng tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế mới, đặc biệt là các nguồn năng lượng có khả năng tái sinh, thân thiện với môi trường. Biogas - nhiên liệu sinh học “sạch” - còn được nghiên cứu để sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong ngoài việc phục vụ cho nhu cầu đun nấu, thắp sáng truyền thống. Ở Việt Nam, phần lớn các công trình nghiên cứu hiện nay tập trung vào vấn đề tận dụng nguồn biogas để làm nhiên liệu cho động cơ tĩnh tại kéo máy phát điện. Theo thông kê, tiềm năng biogas của nước ta có thể đạt tới 4 tỷ m 3 /năm, nếu sử dụng để chạy động cơ kéo máy phát điện thì có thể sản xuất được tới 4 tỷ kW điện, tương đương với 10% nhu cầu năng lượng điện, tiết kiệm 1,6 tỷ lít dầu (nếu sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ), giảm phát thải 4 triệu tấn CO 2 (tương đương 1,5 tấn C) vào bầu khí quyển. Nếu so với mức phát thải C tương đương của nước ta hiện nay là 24 triệu tấn/ năm thì mức này giảm được 6,5% [1]. Tuy nhiên, các động cơ thiết kế chuyên dùng cho biogas hiện nay có giá thành rất đắt, các động cơ biogas đơn giản, cỡ nhỏ thì làm việc không tin cậy và không phù hợp với nguồn biogas đa dạng ở nước ta. Bởi vậy, nghiên cứu chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống sang dùng biogas có ý nghĩa thực tiễn hết sức to lớn trong bối cảnh hiện tại. 4 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi 1.2 Mục đích của đề tài. Đề tài tập trung nghiên cứu quy trình tính tóan, thiết kế chuyển đổi động cơ 6D22 sử dụng nhiên liệu diesel sang dùng 100% biogas lắp đặt cho một trại chăn nuôi quy mô trung bình hoặc nhỏ và đánh giá quá trình chạy thử nghiệm động cơ trong thực tế. 1.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài. Trên lãnh thổ nước ta hiện nay có rất nhiều trang trại chăn nuôi lớn tập trung với quy mô công nghiệp, các trang trại này cần rất nhiều năng lượng để phục vụ cho hoạt động sản xuất của mình, đặc biệt là điện năng. Nguồn cung cấp điện năng chủ yếu là từ lưới điện quốc gia, tuy nhiên việc gia tăng giá điện và cắt điện thường xuyên trong các năm gần đây gây rất nhiều khó khăn trở ngại cho các trang trại trong quá trình sản xuất của mình. Các trại chăn nuôi trong quy hoạch xây dựng thường có sẵn hầm biogas với thể tích hầm lớn, tuy nhiên biogas sản xuất được đó chỉ mới được tận dụng để làm khí đốt, phần dư thừa bị đốt bỏ hoặc xả ra môi trường gây lãng phí và làm ô nhiễm môi trường; trong khi đó, biogas hoàn toàn có thể thay thế nhiên liệu truyền thống (xăng, diesel) để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như kéo máy phát điện, máy bơm nước phục vụ cho nhu cầu sử dụng năng lượng cho chính các trang trại. Xuất phát từ chính nhu cầu thực tế đó, đề tài “Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi” đưa ra phương án giải quyết bài toán tận dụng nguồn biogas để sản xuất điện năng. Với việc kéo máy phát cho công suất điện tối đa hơn 100kW sau khi cải tạo, động cơ 6D22 chuyển đổi sang sử dụng 100% biogas hoàn toàn có thể đáp ứng được nhu cầu về điện năng cho các trang trại chăn nuôi có quy mô trung bình. 1.4 Ý nghĩa của đề tài. Sử dụng nhiên liệu khí Biogas để làm nhiên liệu chạy động cơ đốt trong sẽ làm giảm mức độ phát thải khí CO 2 , NO x , HC, CO … góp phần thực hiện các công ước quốc tế về môi trường mà Việt Nam đã cam kết tham gia. Tìm ra một giải pháp cho vấn đề sử dụng tối ưu nguồn biogas mà hiện nay đang bị lãng phí ở các trang trại chăn nuôi tập trung. 5 Tớnh toỏn, thit k lp t h thng nhiờn liu biogas cho ng c 6D22 kộo mỏy phỏt in cho tri chn nuụi Ngoi ra, s dng ngun nng lng biogas t cht thi chn nuụi chy ng c kộo mỏy phỏt in s giỳp tit kim chi phớ cho tri chn nuụi, tng thu nhp cho ngi sn xut, gim giỏ thnh sn phm. 2. Sn xut v s dng biogas 2.1 Gii thiu v biogas. Biogas l ngun nng lng tỏi sinh. Nú c dựng ch khớ sinh hc c sn xut t s phõn hy k khớ cht hu c nh cht thi cú ngun gc t ng vt v thc vt. Biogas cú th c sn xut t cht thi sinh hot, chn nuụi hoc t rỏc thi.Biogas cú thnh phn c bn l mờtanv cacbonic. Hin nay ngoi cỏc hm biogas cỏc trang tri chn nuụi, cỏc quc gia phỏt trin (M, Phỏp, c, an Mch ) ang y mnh vic s dng biogas t cỏc trm x lớ nc thi v t cỏc bói chụn lp rỏc. Di sc ộp ngy mt tng ca giỏ du thụ, cỏc quc gia ny h tr mnh m vic nghiờn cu sn xut v ng dng biogas, vỡ vy ó thỳc y s phỏt trin ca ngun nng lng ny. Cụng ngh sn xut biogas quy mụ gia ỡnh cng c ph bin cỏc nc ang phỏt trin, c bit l Trung Quc, n , Vit Nam 2.2 S sn xut biogas t cht thi chn nuụi. PHN TặI Bỉ PHN HUY Bỉ AẽP SUT GAS TI ặU 1 2 3 4 5 6 Hỡnh 2-1 S h thng sn xut biogas. 1 - B lng cỏt; 2 - ng dn phõn; 3 - ng dn b thi; 4 - B ng cht thi; 5 - H thng lc H 2 S; 6 - Bỡnh cha khớ biogas sch. 6 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi Để sản xuất biogas, người ta xây dựng hoặc chế tạo các thiết bị khí sinh học. Trong thực tế, hầu hết các thiết bị khí sinh học được áp dụng ở các nước đang phát triển là những thiết bị đơn giản, hoạt động theo chế độ nạp nguyên liệu bổ sung thường xuyên hàng ngày. Nguyên lý làm việc của hệ thống: Phân tươi từ chuồng trại được đưa vào bể lắng cát (1) để lắng đá, cát rồi qua ống dẫn phân (2) vào bể phân huỷ. Ở bệ phân huỷ xãy ra quá trình lên men tạo khí sinh học như sau: Hình 2-2 Các giai đoạn hình thành khí biogas. Sau khi lên men hỗn hợp khí biogas được dẫn vào hệ thống lọc khí H 2 S, sau đó hỗn hợp được dẫn vào bình chứa biogas (6), các chất bã sau khi phân huỷ được dẫn ra bể chứa chất thải (4) và được tưới cho cây trồng. 2.3 Thành phần và tính chất của biogas. Biogas là một hỗn hợp của nhiều chất khí (bảng 2-1 [2]). Thành phần các chất khí trong biogas tùy thuộc vào nguyên liệu tham gia vào quá trình phân giải và các điều kiện trong quá trình đó như nhiệt độ, độ pH, chất lượng nước… Nó cũng tùy thuộc cả vào các giai đoạn phân giải. Tính chất của biogas phụ thuộc vào thành phần các chất khí trong nó biogas là chất khí không màu, cháy được (nhờ CH 4 ), có mùi trứng thối (H 2 S), không duy trì sự sống ; bigas là một khí ướt vì nó chứa hơi nước bão hoà bay hơi từ dịch phân giải. 7 [...]... động cơ diesel ô tô thành động cơ tĩnh tại chạy bằng 2 nhiên liệu biogas/ diesel - Chuyển đổi động cơ xăng tĩnh tại thành động cơ biogas/ xăng - Chuyển động cơ xăng ô tô thành động cơ tĩnh tại biogas/ xăng - Chuyển động cơ diesel (tĩnh tại hay ô tô) thành động cơ biogas 14 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi 5 Khảo sát động cơ 6D22. .. thì có thể sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong [3] Các động cơ đánh lửa cưỡng bức cố định có thể cung cấp năng lượng cho rất nhiều loại thiết bị tải bao gồm: + Máy phát điện + Máy bơm + Quạt + Thiết bị nâng chuyển + Bơm nhiệt, điều khoà không khí 9 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi Ngoài ra, biogas cũng là nguồn năng... vòi 19 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi phun sẽ có áp suất cao, ứng với thứ tự làm việc của động cơ, nhiên liệu sẽ được phun tơi vào buồng cháy động cơ nhờ các vòi phun Lượng nhiên liệu thừa hoặc khi qua các van an toàn sẽ được đưa về bình nhiên liệu bởi các đường dầu hồi 6 Tính toán chu trình nhiệt cho động cơ 6D22 6.1 Tính. .. dụng cho việc chạy động cơ đốt trong 10 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi 3.2.4 Năng lượng gió Năng lượng gió tự nhiên có thể sử dụng để thông gió cho các trang trại chăn nuôi, kéo cối xay gió Ở các nước tiên tiến, năng lượng gió còn dùng để chạy tuabin phát điện 3.2.5 Năng lượng từ khí sinh học (Biogas) Hầu hết các trang trại. .. xúc với đường thải Ta sẽ nhận được đồ thị công đã hiệu chỉnh 30 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi Hình 6-1 Đồ thị công động cơ diesel 6.2 Tính toán chu trình nhiệt động cơ sử dụng 100% biogas 6.2.1 Thông số cho trước của động cơ Bảng 6-5 Thông số cho trước của động cơ Tên thông số Công suất định mức Tỷ số nén Số vòng quay định... 1,1 0,97 a Tính quá trình nạp: + Tính hệ số khí sót γr: 20 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi γr = λ2 (Tk + ∆T ) p r Tr pa 1 1  p m ελ1 − λt λ2  r  p   a [6-1] γ r = 0,0301 + Tính hệ số nạp ηv: 1    pr  m  Tk Pa  1 ηv = ελ1 − λt λ 2   p   (ε − 1) (Tk + ∆T ) Pk   a     [6-2] η v = 0,851 + Tính nhiệt độ... av + ′ bv Ta (ε n1 −1 + 1) 2 [6-9] Chọn trước n1 rồi tính, bằng phương đoán nghiệm, ta có n1 = 1,370 + Tính nhiệt độ cuối kỳ nén Tc [K]: Tc = Ta ε n1 −1 [6-10] Tc = 946,382[ K ] + Tính áp suất cuối kỳ nén pc [MN/m2]: p c = p a ε n1 [6-11] pc = 4,365[ MN / m 2 ] 22 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi c Tính quá trình cháy: + Tính. .. [6-17] x z = 0,944 + Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn: α>1 thì ∆ QH = 0 [động cơ Diesel] [6-18] + Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình môi chất tại z 23 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi ′′ ′′ ′′ m Cvz = avz + bvzTz [6-19]  γ   + a v M 1 (1 − x z ) ′ ′ av′.M 2  x z +  βo    ′′ a vz =  γ  M 2  x z + r  + M 1 (1 − x z... 31 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi 6.2.2 Thông số chọn của động cơ Bảng 6-6 Thông số chọn của động cơ Tên thông số Áp suất khí nạp Nhiệt độ khí nạp Hệ số dư lượng không khí Áp suất cuối kỳ nạp Áp suất khí sót Nhiệt độ khí sót Độ sấy nóng khí nạp mới Chỉ số đoạn nhiệt Hệ số lợi dụng nhiệt tại z Hệ số lợi dụng nhiệt tại b Hệ. .. Trục bơm nước cùng trục với trục quạt gió - Hệ thống áo nước bao quanh thân máy, các xilanh, trên nắp máy để lấy đi lượng nhiệt thừa, đảm bảo động cơ vận hành tốt trong mọi điều kiện làm việc 18 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi 5.4.3 Hệ thống bôi trơn - Hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ đưa dầu đến các bề mặt ma sát, đồng thời lọc . 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi 3 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn nuôi. 6. Tính toán chu trình nhiệt cho động cơ 6D22 20 1 Tính toán, thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu biogas cho động cơ 6D22 kéo máy phát điện cho trại chăn