Đề tài Nghiên cứu thiết kế máy phát điện chạy bằng khí biogas

Minh Hoàng - 26 - Mô hình ở Thanh Hóa ™ Bảng thời gian máy phát có thể hoạt động trong ngày: Nếu khí biogas được sản xuất nguồn chính từ chất thải chăn nuôi nông nghiệp, thời gian máy phát có thể hoạt động được liên tục trong ngày sẽ phụ thuộc vào số lượng đàn heo, công suất hoạt động của máy và được thể hiện trong bảng sau [11]: Với: Công suất điện được tính bằng KW, thời gian hoạt động của máy tính theo giờ (số in nghiêng). GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 27 - 2.2./ Điều chế sản xuất khí Biogas sạch cho máy phát điện Khí Biogas là hợp chất khí bao gồm: khí mêtan chiếm khoảng 60-70%, khí CO2 chiếm lớn hơn 30% và một số tạp chất khí khác như: H2S, N,... Khí CH4 sản sinh ra sự cháy, CO2 làm giảm khả năng đốt cháy của khí, khí H2S làm gây tắt thở khi hít phải và khi đốt cháy nó sinh ra lượng axit H2SO4 làm ăn mòn kim loại. Để có thể sử dụng Biogas làm nhiên liệu, việc đầu tiên là phải lọc các tạp chất có hại [1]. Do đó ta phải tìm cách loại bỏ các khí này khi đưa vào máy phát điện. 2.2.1./Khử các tạp chất của khí Biogas Trên cơ sở thực tiễn và đã thành công ở nhiều nơi, việc loại bỏ các tạp chất trong khí Biogas thường được thực hiện bằng phương pháp hấp phụ. Đây là một phương pháp đơn giản, rẻ tiền có ứng dụng hiệu quả thành công cao. ™ Phương pháp hấp phụ là gì ? Khác với quá trình hấp thụ, trong quá trình hấp phụ người ta dùng chất rắn xốp để hút các chất khí độc có trong khí thải trên bề mặt chất rắn được gọi là chất hấp phụ và các cấu tử khí được hút vào bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị Số lượng lợn trong trang trại (con) Công suất điện (kW) 20 50 100 150 200 300 400 500 1 3 8 16 24 2 1,5 4 8 12 16 24 3 1 2,5 5 8 10 16 21 4 2 4 6 8 12 16 20 5 3 5 6 9,5 12 16 6 4 5 8 10 13 7 3,5 4,5 7 9 11 8 3 4 6 8 10 9 3,5 5,5 7 9 10 3 4,5 6,5 8 11 4,3 6 7 12 4 5,2 6,5 13 3,5 5 6 14 4,5 5,5 15 4 5 GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 28 - hấp phụ. Phương pháp này được dùng phổ biến nhất trong việc thu hồi các nguyên tử kim loại quí để sử dụng lại trong công nghiệp hóa chất. Trong kĩ thuật xử lý ô nhiễm không khí, phương pháp hấp phụ được dùng để thu hồi và sử dụng lại hơi của các chất hữu cơ, khử mùi thải ra của các nhà máy sản xuất thực phẩm, thuộc da, nhuộm, chế biến khí tự nhiên,công nghệ tổng hợp hữu cơ….[8] 2.2.2./Hấp phụ loại bỏ H2S Trong các thành phần trên, H2S dù chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ, nhưng là khí có hại nhất. Khi sử dụng để nấu bếp, H2S gây ăn mòn các ống dẫn, bếp nấu, và làm cho Biogas có mùi hôi khó chịu. H2S khi cháy tạo thành SO2 cũng là khí độc hại đối với sức khỏe con người. Khi sử dụng cho động cơ, H2S gây ăn mòn các chi tiết của đường ống nạp-thải và buồng cháy, làm giảm tuổi thọ của động cơ.[5] ™ Xây dựng tháp hấp phụ khí tách khí H2S Trong nghiên cứu này sử dụng phoi sắt để tách H2S. Chất này được EPA (Cục bảo vệ môi trường Mỹ) chứng nhận không gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và có thể thải trực tiếp ra các bãi rác.Trước khi sử dụng, phoi sắt được oxy hóa để tạo thành một lớp oxyt sắt trên bề mặt. Quá trình này có thể thực hiện một cách tự nhiên bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí một thời gian hoặc đốt để tăng tốc độ oxy hóa. Phản ứng oxy hóa phoi sắt diễn ra như sau : Fe + 1/2 O2 Æ FeO 2Fe + 3/2O2 Æ Fe2O3 3Fe + 2O2 Æ Fe3O4 Oxyt sắt tạo thành là hỗn hợp của các oxyt FeO, Fe2O3, Fe3O4. Các phản ứng trên có thể được xúc tiến nhanh hơn bằng cách tưới nước trên phoi sắt. Quá trình oxy hóa sắt đạt yêu cầu khi bề mặt phoi sắt chuyển từ màu xám sang màu vàng xốp, hoặc đỏ xốp. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 29 - Khi khí Biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxyt sắt, H2S được tách ra theo các phản ứng sau: Fe2O3 + 3H2S Æ Fe2S3 + 3H2O Fe3O4 + 4H2S Æ FeS+Fe2S3 + 4H2O FeO + H2S Æ FeS + H2O Khi hiệu suất của thiết bị giảm thấp, chúng ta có thể tái sinh lõi lọc bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí. Để gia tốc quá trình tái sinh, chúng ta có thể đốt phoi sắt đã sử dụng trong 15 phút. Tuy nhiên quá trình này tạo ra chất khí ô nhiễm SO2: Fe2S3 + 9/2O2 Æ Fe2O3 + 3SO2 FeS + 3/2O2 Æ FeO + SO2 Phoi sắt có thể được tái sử dụng từ 3-5 lần. Phoi sắt sau khi đốt được trộn với vỏ bào cưa với tỉ lệ 1:1 về thể tích, sau đó được cho vào thiết bị lọc.[5] , [8] 2.2.3./Hấp phụ loại bỏ khí CO2 Là chất khí không cháy, không màu, không mùi. Nặng gấp 1.5 lần không khí. Nếu khí này chiếm tỉ lệ cao trong khí sinh học sẽ làm cho chất lượng khí sinh học kém đi. Khí CO2 tuy không gây GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 30 - ăn mòn như H2S, nhưng sự hiện diện của nó với hàm lượng lớn làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Thành phần hơi nước cũng gây ảnh hưởng tương tự như CO2. ™ Xây dựng tháp hấp phụ khí CO2 Việc tách CO2 ra khỏi Biogas được thực hiện dựa vào tính chất hấp thụ khí carbonic của than hoạt tính hoặc ta cho khí đi qua hơi nước [1]. Than hoạt tính được chọn là loại than hoạt tính có xuất xứ từ gáo dừa, vì hiệu suất hấp thụ của loại than này cao hơn so với loại than hoạt tính từ Trung Quốc. Ta có bảng so sánh hiệu suất 2 loại than như sau: Nhiệt Độ (T0C) Than hoạt tính Trung Quốc (Hiệu suất-%) Than hoạt tính gáo dừa (Hiệu suất-%) 30 45 60 35 43 57 40 32 54 45 29 51 Được đặc trưng bởi tính kỵ nước. Vì vậy, nó được ứng dụng rộng rãi để xử lý khí có các dạng ẩm khác nhau. Than hoạt tính có thể được chế tạo từ các nguyên liệu giàu Carbon như: Than bùn, than đá, các thực vật (gỗ, mùn cưa, gáo dừa…). Than hoạt tính là một chất gồm chủ yếu là nguyên tố Carbon ở dạng vô định hình (bột), một phần nữa ở dạng tinh thể vụn Graphit (ngoài Carbon thì phần còn lại thường là tàn tro, mà chủ yếu là các kim loại kiềm và vụn cát).[8] GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 31 - ™ Ảnh hưởng của chiều cao tháp, vật liệu, nhiệt độ môi trường đến quá trình hấp phụ khí [8] Chiều cao (mm) 200 400 600 800 Nhiệt độ (0C) Hiệu suất (%) Hiệu suất (%) Hiệu suất (%) Hiệu suất (%) 30 27 43 52 60 35 25 38 46 57 40 22 36 42 54 45 19 34 38 51 Từ bảng kết quả ta có thể so sánh được rằng: y Nhiệt độ càng tăng thì khả năng hấp phụ của than hoạt tính càng giảm. y Mặt khác vì chiều cao lớp vật liệu hấp phụ tăng thì thời gian tiếp xúc giữa dòng khí và vật liệu hấp phụ tăng do vậy hiệu suất hấp phụ cũng tăng theo chiều cao. y Ở nhiệt độ môi trường 300C là nhiệt độ tốt nhất để để than hấp phụ. 2.2.4./Quy trình hệ thống xử lý khí H2S và khí CO2 Trên cơ sở lý thuyết [8], ta có thể hình thành dạng mô hình tháp hấp phụ như sau: Về quy trình xử lý công nghệ bao gồm: 1. Đường khí từ hầm chứa đi vào tháp. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 32 - 2. Đồng hồ đo áp suất khí. 3. Lưu lượng kế. 4. Tháp hấp phụ khí H2S. 5. Tháp hấp phụ khí CO2 . 6. Lưới đỡ vật liệu. 7. Đường ống dẫn đến máy phát. ™ Quy trình xử lý có thể được giải thích Khí Biogas từ hầm chứa được dẫn đến tháp hấp phụ bằng đường ống dẫn kín, ở đầu vào tháp sẽ có đồng hồ đo áp suất khí nhằm hiễn thị lượng khí hiện tại có thể cung cấp cho máy phát. Khí được đi qua tháp hấp phụ thứ nhất (4) có chứa các phoi sắt, H2S bị phoi sắt tác dụng phân hủy và giữ lại bên trong ống. Lượng khí sẽ tiếp tục đi qua tháp hấp phụ thứ hai (5) có chứa than hoạt tính, dưới tác dụng của các đặc tính hóa học, khí CO2 bị giữ lại, và ở đầu ra (7) ta thu được lượng khí Biogas với lượng tạp chất là bé nhất. ™ Mô hình tháp hấp phụ thực tế Từ việc nghiên cứu và tìm hiểu cách thức xử lý khí Biogas trên lý thuyết [5], [8], nhóm đã tính toán và quyết định thiết kế mô hình thực tế tháp như sau: + Về vật liệu nhóm chọn cũng là loại nhựa ống PVC có bán rộng rãi trên thị trường. + 2 ống có đuờng kính là Φ = 90mm và chiều cao ống là 0.6. + Vật liệu than và phoi sắt được bỏ đầy theo chiều cao của 2 ống. + Sau khi bỏ đầy 2 vật liệu vào ống, nhận thấy khối lượng than cần là 3kg và khối lượng phoi sắt là 1.5kg. Để lượng khí đã qua lọc được dồi dào hơn, nhóm đã thiết kế thêm 1 bình dự trữ khí trước khi đưa vào máy phát. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 33 - Lượng khí sau khi ra ta có thể kiểm tra bằng nhiều cách, để dễ dàng nhất thì ta thực nghiệm bằng cách đốt cháy khí, ta sẽ dễ dàng nhận biết được thông qua ngọn lửa đốt cháy. Ngọn lửa có màu xanh đặc trưng và khi nung nóng kim loại không tạo thành vết đen thì ngọn lửa này được xem là lượng khí Biogas đạt tiêu chuẩn sau khi lọc có khả năng đưa vào buồng cháy máy phát. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 34 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN KHÍ BIOGAS VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 35 - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN KHÍ BIOGAS VÀO MÁY PHÁT ĐIỆN 3.1./Tìm hiểu nguyên lý và một số đặc điểm máy phát 3.1.1./Giới thiệu một số chủng loại máy phát Máy phát để sử dụng chạy được khí Biogas thì có rất nhiều loại như máy phát chạy bằng xăng, dầu hay các nhiên liệu hóa lỏng…. thì đều được, tùy thuộc vào người thiết kế mong muốn. Ở đây máy phát được chọn để làm trong đề tài là loại máy phát chạy thuần túy bằng xăng được bán rộng rãi trên thị trường. Máy phát điện sách tay loại công suất nhỏ Máy phát điện công suất cỡ trung bình Máy phát điện công suất lớn (công nghiệp) GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 36 - Tất cả các chủng loại công suất máy phát như trên đều có thể hoạt động chính bằng khí Biogas để sản sinh ra điện năng. Tuỳ thuộc vào hãng sản xuất hoặc công suất của máy mà cơ cấu để đưa nguồn khí Biogas vào hoạt động chính sẽ có sự khác biệt về kích thước, đường kính và lỗ chân không của họng khí, nhưng tất cả đều nhằm mục đích hoà trộn tỷ lệ khí thiên nhiên và khí Biogas có tỷ lệ thích hợp nhất trước khi đưa vào buồng đốt. ™ Đặc điểm chủng loại máy phát được chọn Trong đề tài này nhóm chọn loại máy phát dành cho gia đình có công suất cỡ nhỏ 550W và được thể hiện ở hình 3-1. Máy phát hiệu Honda của Nhật Bản, máy ban đầu chạy bằng xăng sau đó mới cải tạo chuyển sang chạy bằng khí Biogas. Điện áp ra là 220V và tần số là 50Hz, tốc độ làm việc ổn định của máy phát là 1500V/phút. Trước tiên ta sẽ tìm hiểu về cơ cấu chế hoà khí của máy phát chạy ban đầu bằng xăng. 3.1.2./Tìm hiểu hoạt động bộ chế hoà khí máy phát điện Bộ chế hòa khí máy phát có nhiệm vụ trộn không khí với nhiên liệu theo một tỉ lệ thích hợp và cung cấp hỗn hợp này cho động cơ đốt trong, hoạt động theo nguyên tắc hoàn toàn cơ học. Nếu tỉ lệ nhiên liệu và gió được điều chỉnh không chuẩn sẽ dẫn đến hiện tượng khó khởi động cho máy hoạt động. Sau đây là hình vẽ cơ cấu bộ chế hoà khí: GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 37 - Bộ chế hoà khí máy phát, động cơ nổ, hay các xe máy hiện nay về nguyên lý hoạt động và cơ cấu của nó đều có điểm tương đồng như nhau. Về Nguyên lý cơ bản giải thích như sau [9]: Đầu tiên, xăng được chuyển vào buồng phao (float chamber) thông qua ống dẫn đầu vào (feed pipe)và đường dẫn nhiên liệu (fuel inlet). Khi khoang chứa đã nạp đầy đến một mức độ nhất định, phao và kim chỉ van nâng lên và việc nạp nhiên liệu được ngưng lại. Khi piston chuyển động xuống dưới xi lanh, áp suất trong xi lanh giảm xuống. Áp suất của khí quyển sẽ đẩy không khí vào trong bộ chế hòa khí. Đó là nơi mà không khí sẽ được trộn với một lượng xăng thích hợp từ buồng phao để tạo ra hổn hợp xăng + không khí, tỷ lệ xăng/không khí thông thường vào khoảng 1g xăng/14,7g không khí. Nếu lượng xăng> 1g/14,7g không khí hỗn hợp được gọi là hỗn hợp giàu, được dùng khi máy phát hay động cơ khởi động hoặc đang tăng ga, tăng tải. Nếu động cơ hay máy phát luôn hoạt động trong trạng thái hỗn hợp giàu sẽ sinh ra hiện tượng đống muội đen trong buồng đốt, bugi và ống xả, hiệu suất sử dụng nhiên liệu giảm, "ăn xăng". Nếu lượng xăng< 1g/14,7g không khí hỗn hợp được gọi là hỗn hợp nghèo, sinh ra do điều chỉnh các thông số bị sai lệch, các đường nạp xăng bị bẩn hoặc tắt. Nếu động cơ hay máy phát hoạt động trong trạng thái hỗn hợp nghèo GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 38 - công suất giảm, lực moment giảm (động cơ bị yếu) sinh ra hiện tượng đóng trắng trong buồng đốt và bugi. Đó là nguyên lý hoạt động chính của bộ chế hoà khí hoạt động hoàn toàn bằng cơ học. Ngoài ra với tốc độ phát triễn các vi mạch hiện nay, một bộ điều chế hoà khí bằng điện tử đã ra đời [13](máy chạy bằng xăng). Loại phun xăng bằng điện tử EFI đang có xu hướng phát triển mạnh những năm gần đây. Ưu điểm lớn nhất của phun xăng điện tử là tạo nên hòa khí có tỷ lệ lý tưởng ở tất cả các xi-lanh với mục tiêu của tất cả các chế hòa khí là tạo nên một hòa khí có tỷ lệ khối lượng tối ưu giữa không khí và nhiên liệu là 14,7:1. Với những hòa khí đạt tỷ lệ trên, nó sẽ cháy hoàn toàn. Một hỗn hợp nào đó có tỷ lệ thấp hơn được gọi là "giàu" do có quá nhiều nhiên liệu so với không khí. Ngược lại, hỗn hợp đó được coi là "nghèo". Hỗn hợp giàu sẽ không cháy hết do thừa nhiên liệu và gây hao xăng. Trong khi đó, hỗn hợp nghèo không sinh ra công tối đa, khiến động cơ làm việc yếu và thiếu ổn định. Để thực hiện điều này, bộ chế hòa khí phải kiểm soát được lượng không khí đi vào động cơ và thông qua đó cung cấp một lượng nhiên liệu phù hợp. Do vận hành tự động nên hệ thống EFI cần có các thông số để điều khiển kim phun đóng mở trong khoảng thời gian sao cho lượng nhiên liệu vừa đủ để tạo nên hỗn hợp lý tưởng. Các thông số cần thiết để EFI hoạt động ổn định GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 39 - là góc quay và tốc độ trục khuỷu, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm mát, tỷ lệ hỗn hợp, nồng độ oxy ở khí thải... Những số liệu này được thu thập từ các cảm biến đặt khắp nơi trong động cơ.[13] Ưu nhược điểm phổ biến của phun xăng điện tử EFI đã chứng tỏ ưu điểm lớn của nó. Khác với chế hòa khí, EFI mà đặc biệt là loại đa điểm MFI có thể tạo nên những hòa khí có tỷ lệ gần ngưỡng lý tưởng ở tất cả các xilanh, tùy theo điều kiện vận hành của chúng. Điều này có nghĩa hòa khí ở các buồng đốt đều cháy hết, qua đó sinh công tối đa trong khi lượng nhiên liệu tiêu thụ ở mức vừa đủ. Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm khi hỏng hóc, người vận hành phải đem đến nơi chuyên môn để xác định nguyên nhân và nếu hoạt động với xăng kém chất lượng sẽ làm ảnh hưởng đến đầu kim phun xăng. Trên cơ sở nguyên lý hoạt động của bộ chế hoà khí chạy bằng xăng, ta cũng có thể hiểu được rằng trước khi nhiên liệu vào buồng cháy của động cơ thì tỷ lệ khí thiên nhiên và nhiên liệu đốt phải được hoà trộn với tỷ lệ thích hợp. 3.1.3/Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy phát Để đưa được khí Biogas vào buồng cháy của máy phát ta có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau, có thể thay bộ chế hoà khí cũ bằng một bộ chế hoà khí khác dành riêng cho nguyên liệu Biogas hoặc ta có thể giữ nguyên bộ chế hoà khí cũ, thiết kế thêm 1 số chi tiết để đưa lượng khí vào phù hợp hoặc ta có thể sử dụng bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng có trên thị trường [3]. Để đơn giản hoá nhóm đã chọn phương án giữ nguyên bộ chế hoà khí của máy phát cũ, thiết kế thêm 1 chi tiết để đưa lượng khí Biogas vào họng máy, đường cung cấp xăng và các lỗ thông hơi cũ không cần thiết được bit kín nhằm giảm bớt lượng không khí thiên nhiên không cần thiết khi hoạt động đưa vào máy phát đồng thời tạo ra được áp suất mạnh hơn trong xylanh, và cho bướm ga điều khiển bằng cơ ban đầu mở cố định là tối đa. Với phương pháp này ta cũng có thể dễ dàng chuyển máy về chạy bằng xăng khi lượng khí Biogas ngặt nghèo. ™ Đặc điểm cung cấp nhiên liệu cho máy phát GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 40 - Hoạt động của máy phát sau khi được cãi tạo có đặc điểm cung cấp nhiên liệu như sau: - Khí Biogas sẽ là nguồn nguyên liệu chính quyết định đến hoạt động của máy phát. - Nếu lượng khí cung cấp giảm, tốc độ máy phát sẽ giảm dẫn đến giảm điện áp và giảm công suất của máy. Và ngược lại nếu lượng khí là dồi dào. - Ngoài ra để cho quá trình mồi máy được dễ dàng hơn, ta có thể cho 1 lượng nhỏ xăng vào bộ chế hoà khí của máy (bình xăng con của bộ chế hoà khí cũ). Với đặc điểm cung cấp nhiên liệu như vậy, khi thiết kế đường dẫn khí đưa vào máy phát phải được tính toán nhằm cung cấp đủ lượng khí, đồng thời tỷ lệ khí thiên nhiên và khí Biogas được thích hợp nhất. ™ Hình ảnh thiết kế chi tiết Bộ chế hoà khí ban đầu của máy được giữ nguyên và họng của bộ chế hòa khí có đường kính bên trong đo được là Φ = 16mm. Giữa bộ chế hoà khí với máy phát được liên kết với nhau thông qua 2 thanh ốc. Hai thanh ốc này được bắt cố định vào máy phát. Thanh ốc có chiều dài là 60mm, đường kính Φ = 6mm. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 41 - Với những đặc điểm đo được từ bộ chế hòa khí máy phát, nhóm đã thấy rằng bộ chế hòa khí liên kết với máy phát trên thanh ốc vẫn còn một khoảng cách. Tận dụng khoảng trống trên thanh ốc nhóm đã quyết định thiết kế thêm 1 chi tiết có dạng hình vuông được gia công từ nhựa cứng, có khả năng chịu nhiệt cao. Với họng vào buồng cháy bằng họng của máy là Φ = 16mm, bề dày chi tiết là Φ = 10mm, kèm thêm 2 lỗ Φ = 6mm để cố định chi tiết với thân máy. Các lỗ và họng này phải được đồng tâm theo bộ chế hoà khí và thân của máy phát. Với chi tiết này thì bộ chế hòa khí của máy phát sẽ không có gì thay đổi và hoàn toàn được giữ nguyên như lúc ban đầu. Và chi tiết lúc này có thể hiểu là một khớp nối giữa bộ chế hòa khí và máy phát. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 42 - Họng ống cung cấp khí Biogas được tính toán theo các số liệu sau [2]: GB = μh . fh . WB . pB Trong đó: GB là mối quan hệ giữa tiết diện họng và lưu lượng khí. μh là hệ số lưu lượng của họng, ta có thể chọn μh = 0,85. fh tiết diện của họng và fh = π.dh2/4. pB là khối lượng riêng của khí biogas và pB = 0,8808kg/m2. WB tốc độ dòng khí Biogas và được tính theo biểu thức: )( 2 Bh B B ppp W +Δ= Với ∆ph là độ chân không tại họng. PB là áp suất của biogas và pB = 35mmH2O. Trên cơ sở các số liệu trên [2] ta có thể tính toán họng cung cấp khí cho máy phát. Trên thực tế lưu lựơng khí Biogas trước khi vào bộ chế hoà khí máy phát phải đi qua 1 van khí, lưu lượng khí sẽ phụ thuộc vào mức độ đóng mở của van này do đó nếu đường kính họng cung cấp khí Biogas lớn hơn theo tính toán cũng sẽ không làm ảnh hưởng đến quá trình cung cấp khí cho máy, ta có thể được chọn theo một số tài liệu đưa ra kinh nghiệm thiết kế như sau: đường kính cấp khí Φ = 6mm ứng với máy có họng khí Φ = 16mm (máy cỡ 1HP trở xuống), Φ = 10mm với máy dưới 10HP, Φ = 12mm trở lên ứng với các máy trên 10PH. Nhóm đã chọn thiết kế đường kính cung cấp khí biogas cho máy phát là Φ = 6mm. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 43 - Khi tính toán và thiết kế xong, chi tiết sẽ được kẹp giữa máy phát và bộ chế hoà khí, trình bày như hình bên dưới. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 44 - Phần thiết kế chi tiết đưa khí Biogas vào máy phát 2 mặt tiếp xúc 2 bên phải được mài bằng và nhẵn đồng thời phải được ép cứng cố định giữa bộ chế hoà khí và thân máy phát nhằm tránh lỗ hở gây nên giảm lực hút áp suất trong xylanh của máy phát, dẫn đến khó đạt được hiệu suất mong muốn. 3.2./Nguyên lý hoạt động hệ thống dẫn khí Sơ đồ bố trí các van, đường ống dẫn khí được bố trí như hình bên dưới. ™ Nguyên lý hoạt động của hệ thống Nhiên liệu từ hầm chứa khí Biogas, sau khi qua 2 tháp hấp phụ CO2 và H2S được đưa đến hệ thống trên, đến đây khí Biogas sẽ được chia thành 2 nhánh để đi vào máy phát. Với nhánh dẫn khí thứ 1 là nhánh đi qua van giảm áp, nhánh này nhằm phục vụ cho quá trình khởi động máy và chạy ổn định ở chế độ không tải 220V-50Hz thông qua 1 van giảm áp được điều chỉnh trước với lượng khí phun một mức ổn định không đổi (tức mức cho máy chạy xấp xỉ bằng 220V). Nhánh 2 gồm 1 van điều khiển bằng điện (ban đầu trạng thái đóng) và làm việc theo đặc tính sự thay đổi của tải. Khi có sự chuyển biến về tải, số lượng tải tăng lên, điện áp ra của máy lúc này sẽ không còn giữ ổn định với điện áp 220V như mong muốn. Dựa vào đặc tính: khi tải tăng, điện áp giảm kéo theo tốc độ động cơ giảm theo, nhóm đã thiết kế thêm bộ đo tần số quay để đọc số vòng quay trong lúc hoạt động của máy (bộ GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 45 - đo sẽ được trình bày phần bộ điều tốc). Tín hiệu tần số quay của máy phát sẽ được đưa đến 1 board điều khiển, board mạch này làm nhiệm vụ đọc tín hiệu vào, so sánh với tín hiệu điện áp chuẩn, điều khiển ngõ ra và hiển thị số vòng quay. Khi tín hiệu đưa đến mạch điều khiển tín hiệu ngõ ra sẽ điều khiển độ đóng mở 1 van điện và hoạt động theo nguyên tắc sau: - Nếu tần số quay của máy phát nhỏ hơn tần số quay chuẩn của mạch điện thì tín hiệu ngõ ra sẽ điều khiển van sao cho tăng thêm lượng khí Biogas đi vào máy phát. (Xác định tần số chuẩn của mạch điện được trình bày trong chương 5 thực nghiệm). - Nếu tần số quay của máy phát lớn hơn tần số chuẩn của mạch (lúc giảm dần tải) thì tín hiệu ngõ ra sẽ điều khiển đóng van, giảm bớt lượng khí Biogas vào máy. - Khi tần số nằm trong phạm vi cho phép thì van giữ nguyên vị trí. Như vậy nhánh thứ 1 cung cấp khí Biogas cho chế độ chạy không tải, đồng thời là nguồn cung cấp ban đầu cho board điều khiển. Nhánh thứ 2 sẽ làm việc khi có sự thay đổi của tải. Do đó người vận hành chỉ cần mở van khí bằng tay, đề máy và nhấn nút trên board điều khiển để tự động điều áp. ™ Cơ cấu hoạt động xylanh trong máy phát Ta có thể tìm hiểu thêm khi đưa khí vào và hoạt động bên trong xylanh 4 thì như sau [11]: GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 46 - Máy phát đề tài sử dụng hoạt động theo nguyên lý động cơ đốt trong. Nguyên liệu cháy (khí Biogas) đưa được đến bộ chế hoà khí máy phát, khi đề ba (kéo dây đề hoặc mạch điện kích) làm pittong chuyển động tạo ra áp suất bên trong và pittong có xu hướng đi xuống hút khí vào. Hỗn hợp cháy sẽ được đưa vào buồng cháy, khi pistông chuyển động đến điểm chết trên (chạm vào bugi) lúc này sẽ tạo ra tia lửa điện, tia lửa này gặp hỗn hợp cháy và đốt cháy nguyên liệu trong buồng cháy. Khi đốt cháy, nhiệt độ tăng lên làm cho khí đốt bị giãn nở, tạo ra áp suất đủ lớn để đẩy pistong hoạt động liên tục, từ chuyển động lên xuống của pistong được chuyển thành chuyển động quay tròn để quay trục rotor máy phát sinh ra điện năng. Như vậy nếu hỗn hợp cháy (ở đây dùng khí Biogas) vào buồng cháy càng nhiều thì nhiệt độ sinh ra càng lớn, áp suất đẩy pistong càng nhanh, tốc độ máy phát sẽ cao và sinh ra điện áp lớn. Và ngược lại nếu hỗn hợp cháy vào buồng cháy càng ít, thì nhiệt lượng sinh ra áp suất để đẩy pisttong sẽ giảm, lúc này máy phát quay chậm và điện áp giảm theo. Trường hợp giả sử không có hỗn hợp cháy được đưa vào buồng cháy, khi kích bằng mạch điện hoặc dùng tay kéo, pistong vẫn tạo ra lực hút khí ban đầu nhưng không có chất tạo ra nhiệt trong buồng cháy, pistong sẽ không tiếp tục hoạt động được. Như vậy khí Biogas là nguồn nhiên liệu quyết định đến tốc độ, điện áp ngõ ra của máy phát. 3.3./Thiết kế van điều tiết lượng khí Biogas cho máy phát Nhằm mục đích điều tiết được lượng khí vào buồng cháy máy phát, ổn định được tốc độ động cơ, giữ nguyên mức áp đặt đầu ra. Trên cơ sở lý thuyết nhóm đã hình thành được 2 phương án sau: 3.3.1./Bố trí các van điều tiết khí song song với nhau GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 47 - Sơ đồ được bố trí các van song song với nhau, khi khí đã qua hệ thống lọc sẽ được đưa đến hệ thống van khí, lượng khí vào máy phát nhiều hay ít là tùy thuộc vào việc đóng mở các van. Tương ứng nếu tải đang cần là lớn thì số lượng van mở sẽ nhiều, ngược lại nếu tải tiêu thụ là bé thì số lượng van mở là ít. Mỗi khi kích mở 1 van, tiết diện đầu van mở lưu lượng khí đi qua phải được tính toán (giả sử mỗi lần mở áp ra máy phát tăng 5%) lúc này sẽ tuỳ thuộc vào công suất từng loại máy mà tính toán tiết diện cho phù hợp. ™ Đặc điểm của van - Van được chọn là loại van không tuyến tính. - Nguồn sử dụng là nguồn 24V DC. - Lượng khí đi qua mỗi van cần là bé. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 48 - 3.3.2./Sử dụng van điều khiển khí là loại van tuyến tính Van tuyến tính là loại van hoạt động được bằng cách ta thay đổi tín hiệu điện áp hoặc dòng điện đặt vào nguồn van. Van tuyến mỗi loại có ưu nhược điểm khác nhau. Nếu sử dụng loại van này ta có thể điều tiết được lượng khí bằng cách thay đổi tín hiệu, áp hoặc dòng đặt vào nguồn của nó. Như hình 3-14