Prueba~1

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Documentos del II Congreso Boliviano de Ing. Mecanica Electromecanica, Realizado el 2005 en Oruro-Bolivia

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Prueba~1

  1. 1. PRUEBA PILOTO DE CONVERSIÓN AL MODO BI-COMBUSTIBLE GAS NATURAL – DIESEL OIL REALIZADA EN LA ALTURA PARA UN MOTOR ESTACIONARIO DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN (MÉTODO INTEGRACIÓN EN LA COMBUSTIÓN AIRE-GAS) Realizada por: Oscar Febo Flores Meneses
  2. 2. o Introducción o Antecedentes o Desarrollo o Conclusiones y trabajos futuros
  3. 3. Introducción Objetivo del trabajo Evaluar los resultados obtenidos de la “prueba piloto” realizada en la ciudad de El Alto, de la conversión al modo bi combustible, aplicada en un motor estacionario de encendido por compresión con combustible Diesel Oil
  4. 4. Introducción Objetivo específicos Realizar una descripción y comparación conceptual de la operación de un motor convertido al modo bi combustible Descripción técnica de componentes en un equipo de conversión, para operaciones confiables y seguras Evaluación respecto a la conveniencia de emplear estos sistemas de conversión en nuestro medio, haciendo consideraciones de medio ambiente, altitud y beneficios económicos
  5. 5. Antecedentes GAS NATURAL DESCRIPCIÓN gas natural en Bolivia 5% 2% metano (CH4) etano (C2H6) otros componentes 93%
  6. 6. Antecedentes GAS NATURAL EN BOLIVIA 60 TCF 52,3 50 40 30 27,36 24,94 24,87 20 10 0 Probadas P1 Probables P2 P1 + P2 Posibles P3 FUENTE YPFB - 2 002
  7. 7. Antecedentes LA ENTALPÍA DE COMBUSTIÓN INFERIOR gas natural Diesel Oil Composición Promedios de muestras: cromatográfica en cabecera Río Grande al LP/796 DO, Cbba./292 GAA: DO, SCZ/648 DO: Densidad: 0,726 kg / m3 • 48,70 MJ/kg • 43,53 MJ/kg • 35,35 MJ/m3 • 35,87 MJ/l
  8. 8. Antecedentes GAS NATURAL UTILIZACIÓN Ventajas: o Importantes reservas de gas natural o Mejor precio o Composición química más sencilla o Reduce la emisión de particulados (cenizas) o Menor emisión de CO2
  9. 9. Antecedentes método empleado Estudio de Estudio teórico Operación y experiencias del proceso experimentación previas ideal de la prueba piloto Recomendacio nes para la Consideracio selección y nes finales operación
  10. 10. Antecedentes DIESEL OIL COMBUSTIÓN temperatura de ignición 260° - 400 °C relación de compresión: 12 a 23 mayor rendimiento térmico
  11. 11. Antecedentes GAS NATURAL COMBUSTIÓN temperatura de ignición 620° - 650 °C ignición con chispa ignición con Diesel piloto BAJA COMPRESIÓN ALTA COMPRESIÓN relaciones: relaciones: 8 a 12 similar ciclo Diesel rendimientos: rendimientos: similar ciclo Otto similar ciclo Diesel
  12. 12. Antecedentes GAS NATURAL BI COMBUSTIBLE bi – combustible (bi–fuel) dual combustible (dual–fuel) N S IÓ N FU CO • Posibilidad LA usar proporciones de de combustible, según requerimientos: • 100 % Diesel Oil • 0 a 80 % gas natural (100 a 20 % Diesel Oil), de volúmenes equivalentes
  13. 13. Desarrollo por qué bi – combustible ? El costo de conversión respecto a uno que convierte el motor a gas natural dedicado, es menor: Método: INTEGRACIÓN EN LA COMBUSTIÓN AIRE GAS ( Combustion air gas integration ) aire MEZCLADOR mezcla FILTRO TURBOCARGADOR DE AIRE gas natural
  14. 14. Desarrollo LA RELACIÓN EQUIVALENTE ” RE “ • RE : Es la relación de, combustible Diesel Oil que es reemplazado por gas natural en la operación bi – combustible. • RE = 0: Operación con 0 % de gas natural equivalente (modo Diesel) • RE = 0,7: Operación con 70 % de gas natural equivalente (modo bi – combustible)
  15. 15. Desarrollo la relación “ RE “ 30 [ l/h ] RE = 0,67 20 [ l/h ] 10 [ l/h ] 20 [ m3/h ]
  16. 16. Desarrollo determinación práctica del RE
  17. 17. Desarrollo determinación práctica del RE
  18. 18. Desarrollo esquema de operación EGT VAC MAT MAP ROP GSP
  19. 19. Desarrollo la “ prueba piloto “ Motor: CATERPILLAR Modelo: 3306 Serie: 66D41946 Arreglo: 8N3419 Generador: CATERPILLAR Modelo: SR4 Serial: 5FA01203 Nº Grupo: 5N 72
  20. 20. Desarrollo el “ mezclador “ • ¿ se constituye en una importante restricción al paso de aire de admisión?
  21. 21. Desarrollo la prueba del mezclador Con el motor operando 100 % Diesel Oil MÚLTIPLE VAC MEZCLADOR aire MAP FILTRO TURBOCARGADOR DE AIRE VAC : 60.33 kPa VAC : 60.33 kPa - 11 % MAP : 93,08 kPa MAP : 82.74 kPa
  22. 22. Desarrollo la prueba del mezclador Con el motor operando en modo bi - combustible Transductor MAP Mide la presión después del turbocargador • antes de los cilindros
  23. 23. Desarrollo registro MAP “Manifold Air Pressure” Registro MAP (kPa) 60,00 50,00 40,00 kPa 30,00 20,00 10,00 0,00 MAP Diesel MAP Bi combustible 01-nov-04 51,02 31,72 03-nov-04 49,64 38,96
  24. 24. Desarrollo registro MAT “Manifold Air Temperature” Transductor MAT Mide la temperatura • después del turbocargador • antes de los cilindros
  25. 25. Desarrollo registro MAT “Manifold Air Temperature” Registro MAT ºC 100 90 80 70 60 ºC 50 40 30 20 10 0 MAT Diesel MAT Bi combustible 01-nov-04 95 72,78 03-nov-04 90,56 76,94
  26. 26. Desarrollo la prueba del mezclador con el motor operando en bi combustible SA (entrada) SA SM PA (entrada) SG TG PG TM PM TA PA vM vA a b
  27. 27. la prueba del mezclador Desarrollo Con el motor operando en bi combustible
  28. 28. Desarrollo qué puede explicar la estequiometría ? REM C H4 + (1 – REM ) C15 H25,5 + (a + b/4)(O2 + 3,773 N2) a CO2 + b/2 H2 O + 3,773(a + b/4)N2 Donde: a = 15 – 14 REM b = 25,5 – 21,5 REM
  29. 29. Desarrollo la relación de equivalencia molar REM RE E ( ρG R / MG ) T E RM = ----------------------------------------------------------- E (4.28) E ( ρG R / MG ) + ( ρD [1 – R ] / MD ) T E E
  30. 30. Desarrollo relación Aire/Productos REM
  31. 31. Desarrollo registro de la temperatura de humos Termocupla: EGT “Exhaust Gas Temperature”
  32. 32. Desarrollo registros de la temperatura de humos Registro EGT ºC 480 475 470 465 ºC 460 455 450 445 EGT Diesel EGT Bi combustible 01-nov-04 474,17 457,5 03-nov-04 471,11 466,67
  33. 33. Desarrollo análisis de humos
  34. 34. Desarrollo análisis de humos 12 p orc enta je ( % ) % C O2 (1) % C O2 (2) % CO2 promedio 10 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 100 rela c ión d e m ezc la (% d e Ga s Na tura l)
  35. 35. Desarrollo análisis de humos p o rc e nta je ( % ) 12 % O2 (1) % O2 (2) 10 8 % O2 promedio 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 100 rela c ión d e m ezc la (% d e Ga s Na tura l
  36. 36. Desarrollo análisis de humos 1200 pu CO pu CO (1) pu CO (2) 1000 pu CO promedio 800 600 400 200 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 100 Rela c ión d e m ezc la (%d e Ga s Na tura l)
  37. 37. Desarrollo análisis de humos 1,8 lambda 1,6 la m b d a (1) la m b d a (2) lambda promedio 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 100
  38. 38. Desarrollo carga con el tanque de salmuera E I 3 kW = ---------------------------- F.P. 1 000 Donde: kW : salida en kilowatt E : voltaje (promedio tres líneas) I : amperaje (promedio tres líneas) F.P. : factor de potencia
  39. 39. Desarrollo lectura de la potencia generada Curva de potencia activa generador diesel para diferentes relaciones de Diesel - Gas Natural 120 100%D - 0%GN 70%D - 30%GN 50%D - 50%GN 30%D - 70%GN 20%D - 80%GN 100 80 Potencia [kW] 60 40 20 0 12:02 12:06 12:10 12:14 12:18 12:22 12:26 12:30 12:34 12:38 12:42 12:46 12:50 12:54 12:58 13:02 13:06 13:10 13:14 13:18 Tiempo
  40. 40. Desarrollo consumo de combustible consumo horario de combustible 35,00 30,00 25,00 consumo en ( l / h ) 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0% Gas / 100 % 37% Gas / 63 % 45% Gas / 55 % 60% Gas / 40 % 70% Gas / 30 % Diesel Diesel Diesel Diesel Diesel consumo Diesel Oil 29,04 18,44 15,95 11,84 9,21 consumo gas natural 0,00 10,38 11,92 17,83 21,40 consumo total 29,04 28,81 27,87 29,67 30,62 relación de mezcla
  41. 41. Desarrollo relación de potencias Relación de energías 350,00 300,00 250,00 Potencia en (kW) 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 0% Gas / 100 % 37% Gas / 63 % 45% Gas / 55 % 60% Gas / 40 % 70% Gas / 30 % Diesel Diesel Diesel Diesel Diesel kW entregado por el Diesel Oil 289,34 183,65 158,93 117,94 91,79 kW entregado por el gas natural 0,00 103,40 118,76 177,70 213,27 kW total suministrados 289,34 287,06 277,69 295,63 305,07 kW generados 80,878 81,221 79,063 87,097 89,049 Relación de mezcla
  42. 42. Desarrollo el rendimiento 30,0 porcentaje ( % ) 29,5 29,0 28,5 28,0 27,5 0% Gas / 100 37% Gas / 63 45% Gas / 55 59% Gas / 41 68% Gas / 32 % Diesel % Diesel % Diesel % Diesel % Diesel Rendimiento total 27,95235117 28,29408513 28,47182394 29,46129831 29,18983693 Relación de mezcla RE
  43. 43. Desarrollo costo de los combustibles vigentes al 31 de diciembre del 2 004 Diesel Oil: 3,23 (Bs/l) 1,3 ($Us/MPC) termoeléctrica Gas 1,7 ($Us/MPC) industrial natural: 7,04 ($Us/MPC) gasoducto virtual
  44. 44. Desarrollo costo de la energía Costo de la energía ($Us/kWh) 0,16 0,14 0,12 0,1 $Us / kWh 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0% Gas / 100 % 37% Gas / 63 % 45% Gas / 55 % 59% Gas / 41 % 68% Gas / 32 % Diesel Diesel Diesel Diesel Diesel Diesel Oil: 3,23 (Bs/l) - gas natural: 0,1445 0,0973 0,0882 0,0642 0,0528 1,3 ($Us/MPC) Diesel Oil: 3,23 (Bs/l) - gas natural: 0,1445 0,0991 0,0903 0,0671 0,0563 1,7 ($Us/MPC) Diesel Oil: 3,23 (Bs/l) - gas natural: 0,1445 0,1235 0,1192 0,1063 0,1023 7,04 ($Us/MPC) Relación de mezclas (RE)
  45. 45. ahorro anual en $Us en un equipo de: 80 kW y RE = 0,7 40000 $s U 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/ a ño a ño a ño a ño a ño a ño a ño a ño a ño a ño Die se l O il: 3,23 (Bs/ l) - g a s 3665 7330 10995 14660 18325 21990 25655 29320 32985 36650 na t ura l: 1,3 ($Us/ M PC ) Die se l O il: 3,23 (Bs/ l) - g a s 3525 7050 10575 14100 17625 21150 24675 28200 31725 35250 na t ura l: 1,7 ($Us/ M PC ) Die se l O il: 3,23 (Bs/ l) - g a s 1690 3380 5070 6760 8450 10140 11830 13520 15210 16900 na t ura l: 7,04 ($Us/ M PC ) ho ra s d e o p e ra c ió n a nua l
  46. 46. conclusiones Simetrías entre experiencias extranjeras y la prueba piloto realizada en la altura La potencia del equipo no se ve disminuida. Es mas, la misma llega a incrementarse Las emisiones de CO2 se reducen ligeramente Las emisiones de CO suben La temperatura del proceso es menor
  47. 47. conclusiones Simetrías entre el estudio teórico y la prueba piloto realizada en la altura Funcionamiento suave del motor El mezclador aire-gas reduce el rendimiento volumétrico Importancia en el rol del turbocargador Decremento en la emisión de CO2 menor a lo estimado Los productos que se emiten por el escape son menores Menor emisión de cenizas y particulados
  48. 48. conclusiones Caso particular de la prueba piloto Mejora del rendimiento, especialmente para RE = 0,60 Notable reducción del costo de combustibles Estabilidad en la operación en el rango MAP calibrado No se encontraron diferencias debidas a efectos de la altura
  49. 49. trabajos futuros Verificación de la reducción de NOx Cuantificación de la emisiones de CxHy Verificación de los requerimientos de mantenimiento Estudio de sistemas con control realimentado Mejora del proceso de combustión

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