4. Przebieg badań
4.1. Etap I – silnik GMVH–12 przed modernizacją
W pierwszym (wstępnym) etapie badano przebieg procesu spalania w silniku GMVH–12 nr 5 przed wykonaniem remontu i modernizacji.
Podczas wykonywania tych badań stwierdzono, że stan techniczny silnika nie pozwalał na uzyskanie parametrów pracy silnika założonych przez producenta. W tym czasie silnik miał przepracowane sto dwadzieścia tysięcy godzin od nowości. Przez cały ten okres (od momentu jego zamontowania) nie były wykonywane na nich żadne kompleksowe remonty ani modernizacje, co powodowało występowanie częstych awarii oraz nieprawidłową pracę silnika, a w szczególności:
niską sprawność ogólną,
wysoką emisję związków toksycznych (szczególnie tlenków azotu NOx), dużą nierównomierność pracy silnika (przy obciążeniu nominalnym), występowanie wysokich temperatur spalin,
występowanie tzw. „wypadania zapłonów”, co miało bezpośredni wpływ na nierównomierność pracy silnika,
występowanie dużej różnicy ciśnień sprężania w silniku, co było spowodowane nadmiernym zużyciem układu korbowo–tłokowego a w szczególności elementów współpracujących tłok–pierścienie–cylinder,
brak możliwości pracy silnika przy obciążeniach częściowych i przy zmiennej prędkości obrotowej poniżej obrotów nominalnych – ze względu na dużą niestabilność obrotów silnika.
Celem pierwszego etapu badań była ocena istniejącego stanu technicznego silnika, zdefiniowanie przyczyn nieprawidłowości w pracy tego silnika oraz znalezienie rozwiązań, które umożliwiłyby poprawę charakterystyki pracy silnika GMVH–12 oraz na podstawie otrzymanych wyników badań, w dalszej kolejności poprawienie charakterystyki pracy pozostałych czterech silników typu GMVH–12 pracujących w tłoczni gazu w Odolanowie.
Pomiary przebiegu ciśnienia spalania w silniku zostały wykonane przez zespół specjalistów pracujący pod kierunkiem Pana doktora inż. Stanisława Polanowskiego (Akademia Marynarki Wojennej w Gdyni, dalej AMW) w czerwcu 2000 roku. Pomiary wykonano na silniku typu GMVH–12 o numerze technologicznym 5. Badania zostały wykonane przed modernizacją, regulacją układów zasilania i sterowania silników.
Oprzyrządowanie silnika służące do wykonania pomiaru ciśnienia spalania we wszystkich cylindrach silnika składało się z:
komputerowego analizatora przebiegu ciśnienia podczas procesu spalania w cylindrze silnika (opracowanie AMW),
czujnika ciśnienia w cylindrze silnika typu 7613 firmy KISTLER,
oprogramowania do analizy ciśnień przebiegu procesu spalania w cylindrze silnika (opracowanie AMW).
Ponieważ autorzy tych badań nie mieli technicznych możliwości zrealizowania pomiarów ciśnień spalania w funkcji kąta obrotu wału korbowego (brak możliwości podłączenia dodatkowego czujnika obrotu wału korbowego silnika), pomiary te wykonano w funkcji czasu, a następnie transformowano do funkcji kąta obrotu wału korbowego. W tym celu opracowano specjalny program, który uwzględniał błędy w wynikach obliczeń mocy indykowanych. Taka transformacja wyników była konieczna, gdyż wyniki pomiarów były obarczone pewnym błędem systematycznym z uwagi na nieuwzględnienie nierównomierności prędkości obrotowej wału korbowego podczas poszczególnych pomiarów. Błąd ten nie miał jednak znaczącego wpływu na dokładność porównania mocy poszczególnych cylindrów, jak i całego silnika. gdyż występowała duża nierównomierność przebiegów ciśnienia w cylindrze silnika oraz zmiany szybkości obrotowej silnika przy danym obciążeniu były duże (do 10 obr/min).
Pomiary przebiegu zmian ciśnienia podczas spalania wykonywano kolejno na poszczególnych cylindrach i dlatego porównania mocy indykowanych i innych parametrów mogły być obarczone pewnymi błędami wynikającymi z wahań obciążenia
Wyniki indykowania dla poszczególnych stron cylindrów silnika GMVH–12 nr 5 przed regulacją dla strony prawej i lewej podano w tabeli nr 8. Porównanie przebiegów ciśnień w cylindrze dla poszczególnych cylindrów silnika z przebiegami ciśnień uśrednionych dla odpowiednich bloków cylindrów zamieszczono na rysunkach od 29 do 40.
Wartości średnich ciśnień w cylindrze silnika, mocy wyliczonej i wydajności wykonano dla trzech różnych prędkości obrotowych silnika, przy czym należy zaznaczyć, że podczas wykonywania pomiarów dla wartości 300 obr./min. silnik pracował bardzo niestabilnie (wahania obrotów wynosiły nawet do +/– 10 obr./min.).
Podczas wykonywania tej serii badań nie było możliwości wykonania pomiarów parametrów pracy silnika przy 270 obr./min., gdyż silnik pracował na tyle niestabilnie, że tak niskie obroty powodowały jego zatrzymanie.
Tabela 8. Wyniki zbiorcze pomiarów ciśnienia spalania dla Silnika GMVH–12 nr 5 (przed modernizacją)
Blok
Silnik GMVH–12 nr 5 – obroty silnika 300 obr./min.
Lewy 695 38,5 0,5 21,5
Prawy 652 34,1 –0,1 20,3
Silnik 1347 36,3 0,0 20,9 1,62 5,23 28 700
Silnik GMVH–12 nr 5 – obroty silnika 300 obr./min.
Lewy 785 37,8 –0,2 22,8
Prawy 768 36,4 –0,1 23,1
Silnik 1553 37,3 –0,1 22,7 1,61 5,27 33 100
Silnik GMVH–12 nr 5 – obroty silnika 330 obr./min.
Lewy 778 36,7 –0,2 21,8
Prawy 815 37,4 –0,1 22,9
Silnik 1593 37,2 –0,1 22,3 1,61 5,25 34 200
Silnik GMVH–12 nr 5 – obroty silnika 330 obr./min.
Lewy 882 41,7 0,0 23,3
Prawy 792 37,0 –0,1 24,0
Silnik 1674 39,4 0,0 23,7 1,60 5,26 34 500
Silnik GMVH–12 nr 5 – obroty silnika 330 obr./min.
Lewy 819 39,5 –0,3 22,3
Prawy 826 37,8 –0,1 22,9
Silnik 1645 39,5 –0,3 22,7 1,58 5,25 32 800
Z danych przedstawionych w tabeli nr 8 wynika, że obciążenie bloków cylindrów w silniku GMVH–12 nr 5 przy różnych parametrach pracy silnika różni się dość znacznie. Potwierdzają to również różnice maksymalnych ciśnień spalania. Można zaobserwować ponadto duże rozrzuty ciśnień maksymalnych w poszczególnych cylindrach dla wartości uśrednionych, jak również w poszczególnych cyklach pracy.
Skutkuje to nierównomiernością obciążeń wału korbowego silnika. Należy zwrócić uwagę na fakt, że w tabeli tej przedstawiono jedynie przykładowe wyniki pomiarów (średnia z 10 pomiarów) dla każdego obciążenia silnika.
Autor niniejszej dysertacji przeprowadził także (tuż przed samym wykonaniem remontu silnika) pomiary przebiegu ciśnienia spalania na silniku GMVH–12 nr 5 za pomocą przyrządu firmy KISTLER typu 2507A.
Na rysunkach nr 29–40 przedstawiono przebiegi ciśnienia spalania w poszczególnych cylindrach silnika GMVH–12 nr 5 przed wykonaniem remontu silnika oraz regulacji i zmiany parametrów w układzie zasilania silnika. Na wykresach pokazano dziesięć kolejnych cykli pracy silnika przy stałym obciążeniu i prędkości obrotowej silnika wynoszącej 330 obr./min.. W tabeli nr 9 przedstawiono parametry pracy silnika GMVH–12 nr 5 podczas wykonywania pomiarów ciśnień spalania pokazanych na rysunkach nr 29–40.
Tabela 9. Parametry pracy silnika uzyskane podczas pomiarów – I etap pracy (silnik nr 5)
PARAMETRY PRACY SILNIKA I SPRĘŻARKI
WARTOŚĆ PARAMETRU
Moc silnika 1660 kW
Prędkość obrotowa 330 obr./min.
Temperatura spalin na wylocie z cylindrów 410–478oC
Ciśnienie gazu paliwowego 375 kPa
Temperatura gazu paliwowego 23oC
Zużycie gazu paliwowego silnika 485 Nm3/h Ciśnienie powietrza doładowania 34 kPa Temperatura powietrza doładowania 44oC Ilość obrotów turbosprężarki 8960 obr./min.
Temperatura gazu paliwowego przed
zaworem wtryskowym 41–58oC
Wydajność sprężarki gazu 36400 Nm3/h Ciśnienie gazu stronie ssania sprężarki 1,78 MPa Kąt wyprzedzenia zapłonu 6o przed GMP
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 29. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 1L
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 30. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 2L
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 31. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 3L
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 32. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 4L
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 33. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 5L
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 35. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 1P
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 37. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 3P
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 38. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 4P
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 39. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 5P
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 40. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 6P
Różnice przebiegu poszczególnych ciśnień spalania występowały szczególnie przy obciążeniach częściowych silnika do tego stopnia, że nie było możliwości ciągłej pracy tego silnika przy obrotach 270 na minutę.
Pomiary przeprowadzane były przy takich samych parametrach pracy silnika i sprężarki tzn. przy tych samych wartościach obciążenia sprężarki, ciśnienia ssania i tłoczenia sprężarki oraz przy takich samych ilościach przetłaczanego gazu.
Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów przebiegu ciśnienia spalania w poszczególnych cylindrach możemy stwierdzić, że:
występuje duża różnica w obciążeniu poszczególnych stron silnika (lewej i prawej),
jeszcze większe różnice występują w obciążeniu pomiędzy poszczególnymi cylindrami silnika,
duże różnice wartości ciśnienia spalania występują pomiędzy wartością średnią dla danego bloku cylindrów a poszczególnymi cylindrami,
w silniku występuje duża niejednorodność pomiędzy poszczególnymi cyklami pracy we wszystkich cylindrach,
występuje bardzo duża nierównomierność maksymalnych ciśnień spalania w danym cylindrze silnika w kolejnych cyklach pracy.
Występowanie tak dużej nierównomierności przebiegu ciśnienia spalania w poszczególnych cylindrach silnika oraz pomiędzy nimi spowodowało konieczność zmiany parametrów w układzie zasilania silnika celem poprawienia przebiegu procesu spalania w silniku – wyrównania wartości maksymalnych ciśnień spalania. Szczególnie dotyczyło to pracy silnika przy obciążeniach częściowych, co było podyktowane względami technologicznymi produkcji gazu wysokometanowego na Instalacji odazotowania w PGNiG SA Oddział w Odolanowie.
Po wykonaniu pomiarów przebiegu ciśnień spalania w silniku GMVH–12 nr 5 pojawiła się konieczność wykonania pomiarów wartości NOx emitowanych przez silniki GMVH–12 pracujące w tłoczni gazu w Odolanowie. Z uwagi na wykonane pomiary wstępne przebiegu procesu spalania, do pomiaru emisji NOx wytypowano ten sam silnik. Pomiary te były wykonywane w drugiej połowie 2000 roku. Przykładowe wartości emisji NOx wraz z wybranymi parametrami pracy silnika i sprężarki nr 5 przedstawiono w tabeli nr 10.
Tabela 10. Przykładowe parametry pracy Motosprężarki nr 5 oraz emisji NOx przed regulacją silnika
Należy w tym miejscu zwrócić uwagę na fakt, że wszystkie pięć silników pracujących w tłoczni gazu w Odolanowie miało te same nieprawidłowości parametrów pracy i na wszystkich silnikach występowały znaczne przekroczenia emisji tlenków azotu, występowała duża niestabilność pracy oraz cechowała je niska sprawność.
Wszystkie te silniki miały w tym czasie przepracowane od około 90 do 125 tys.
godzin pracy od nowości, przy czym nie były do tego czasu wykonywane na nich żadne remonty.
Wykonanie pomiarów właśnie na silniku GMVH–12 nr 5 było podyktowane planowanym wykonaniem remontu silnika. Silnik GMVH–12 nr 5 został wytypowany do przeprowadzenia remontu ze względu na konieczność wykonania także innych prac związanych z naprawą sprężarki oraz z koniecznością naprawy skrzyni korbowej silnika w której stwierdzono pęknięcie. Wybór silnika GMVH–12 nr 5 umożliwił na porównanie wyników parametrów pracy silnika przed i po remoncie w stosunkowo krótkim czasie i przy tym samym obciążeniu silnika i sprężarki.
Na podstawie przeprowadzonych podczas pierwszego etapu pracy pomiarów emisji NOx stwierdzono bardzo wysoką emisję tych związków. Zarówno w tamtym czasie, jak i w chwili obecnej nie ma w naszym kraju uregulowań ustawowych dotyczących wielkości emisji NOx do atmosfery przez silniki stacjonarne spalające paliwa gazowe. Jednak w porównaniu z wielkościami emisji NOx silników nowszej generacji o tej samej mocy oraz biorąc pod uwagę fakt, że istnieją rozwiązania techniczne pozwalające na znaczne obniżenie ilości NOx w spalinach poprzez zmianę układu zasilania silnika, podjęto próbę modernizacji badanych silników tak, aby dostosować ich parametry pracy do aktualnych potrzeb przetłaczania gazu ze zwróceniem szczególnej uwagi na zmniejszenie zużycia gazu paliwowego oraz zmniejszenia poziomu emisji NOx.