emission af uforbrændt gas/kulbrinter under start …...2 resume og konklusion der er i projektet...

Emission af uforbrændt gas/kulbrinter under start og stop af gasmotorer

Kunderapport Juni 2004

Emission af uforbrændt gas/kulbrinter under start og stop af gasmotorer

Jan de Wit og Steen Andersen

Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 2004

Titel : Emission af uforbrændt gas/kulbrinter under start og stop af gasmotorer

Rapport kategori : Kunderapport

Forfatter : Jan de Wit og Steen Andersen

Dato for udgivelse : 25.06.2004

Copyright : Dansk Gasteknisk Center a/s

Sagsnummer : 724.76; H:\724\76-uforbr_emis\Rapport\Rap_start_stop_juni_final.doc

Sagsnavn : Uforbrændt gas/kulbrinter

For ydelser af enhver art udført af Dansk Gasteknisk Center a/s (DGC) gælder:

• at DGC er ansvarlig i henhold til ”Almindelige bestemmelser for teknisk rådgivning & bistand (ABR 89)”, som er vedtaget for opgaven, med mindre andet aftales skriftligt.

• at erstatningsansvaret for fejl, forsømmelser eller skader over for rekvirenten eller tredjemand gælder pr. an-svarspådragende fejl eller forsømmelse. Ansvaret er dog altid begrænset til maksimum 100% af det vederlag, som DGC har modtaget for den pågældende opgave. Rekvirenten holder DGC skadesløs for alle tab, udgifter og erstatningskrav, der måtte overstige DGC’s hæftelse.

• at DGC skal - uden begrænsning - omlevere egne ydelser i forbindelse med fejl, mangler og forsømmelser i DGC’s materiale. Dette gælder dog ikke længere end 5 år fra opgavens udførelse.

• at rekvirenten er ansvarlig for, at de iht. lov gældende sikkerheds- og arbejdsmiljøregler hos rekvirenten kan overholdes af DGC i forbindelse med opgavens udførelse. Såfremt DGC må standse, afbryde og/eller udsætte en opgave, fordi disse regler ikke kan overholdes, må rekvirenten bære DGC’s eventuelle ekstraomkostninger i forbindelse hermed.

Marts 2000

DGC-rapport 1

Indholdsfortegnelse Side

1 Forord........................................................................................................................................... 2

2 Resume og konklusion................................................................................................................. 3 2.1 English summary ................................................................................................................... 4

3 Formål og baggrund..................................................................................................................... 5

4 Gasmotorer til kraftvarmeproduktion i Danmark ........................................................................ 6 4.1 Motortyper ............................................................................................................................. 6 4.2 Anlægsopbygning .................................................................................................................. 6 4.3 Driftsforhold .......................................................................................................................... 9 4.4 Myndighedskrav .................................................................................................................... 9

5 Data vedr. gasforbrænding......................................................................................................... 10

6 Projektudførelse ......................................................................................................................... 11 6.1 Målemetode ......................................................................................................................... 11 6.2 Udvælgelse af anlæg............................................................................................................ 11 6.3 Oversigt over udførte målinger............................................................................................ 12

7 Måleresultater ............................................................................................................................ 13

8 Referencer .................................................................................................................................. 14 Bilag

DGC-rapport 2

1 Forord

Denne rapport er rekvireret af Gasselskabernes Fagudvalg for Gasanvendel-se og Installationer, FAU GI. Rapporten er udarbejdet af Jan de Wit og Steen Andersen, Dansk Gasteknisk Center a/s (DGC). Kvalitetssikring er udført af Henrik Ander-sen, DGC. Gasselskabernes ERFA gruppe for kraftvarme har fungeret som sparrings-partner i projektforløbet. Denne gruppe har p.t. følgende sammensætning: Carsten Nielsen, Benny Petersen (DONG, Stenlille), Bjarne Koch, Brian Petersen (DONG, Vejen), Bjarne Jørgensen (Naturgas Midt-Nord), Niels K. Mortensen (Naturgas Fyn), Jørn Larsen, Jørn E. Andersen (HNG), Anders Knak-Nielsen (Sikkerhedsstyrelsen), Jan de Wit (DGC). Carsten Nielsen, DONG Stenlille, har fungeret som kontaktperson til Fag-udvalget. DGC takker alle ovenstående for positiv og aktiv medvirken i projektarbej-det. Endvidere skal rettes en tak til de anlægsejere, der velvilligt har givet accept til målinger på deres anlæg. Hørsholm, juni 2004

Jan de Wit Steen D. Andersen Projektleder Måletekniker Afd. for Energiteknik og Sikkerhed Laboratoriet Bjarne Spiegelhauer Afdelingschef Afd. for Energiteknik og Sikkerhed

DGC-rapport 3

2 Resume og konklusion

Der er i projektet foretaget målinger på tre forskellige gasmotorbaserede kraftvarmeanlæg. Højeste gaskoncentration i røggassen er målt ved start af en åbenkammer gasmotor. Der måltes her kortvarigt ca. 3 % brændbar gas i røggassen. An-lægget er ikke forsynet med tvungen skylning af udstødssystem før eller under start. Der var ifølge måleudstyret ikke tegn på, at der ved målepunktet var ”opmagasineret” høj uforbrændt koncentration inden start. Motoren, der måltes på, er af en type, der ved stationær almindelig drift har en lav emissi-on af uforbrændt gas (UHC). På de øvrige gasmotoranlæg (der var udstyret med skylning ved start), ob-serveredes de største gaskoncentrationer i målepunktet i forbindelse med stop af gasmotor. Her måltes op til ca. 2,4 % brændbar gas i målepunktet. Disse motorer var to forskellige motorer/fabrikater forkammer gasmotorer. På det ene af de to forkammer gasmotoranlæg sås en meget markant kon-centrationsreducerende effekt, når skylning iværksattes. En lige så tydelig effekt kunne ikke ses på det andet anlæg. DGC anser, på baggrund af de foretagne målinger, tvungen skylning af ud-stødssystemet som en effektiv foranstaltning til nedbringelse af uønskede koncentrationer i røggassen. Skylning kan gennemføres før start eller efter stop, gerne med supplerende skylning under tomgang og indtil eksempelvis 30-50 % last. For anlæg der er forsynet med katalysator, bør skylning foretages, når denne er kølet tilstrækkeligt ned. DGC kunne ønske, at der for fuldstændighedens skyld blev gennemført sup-plerende målinger på et anlæg med et mere ugunstigt forløb af udstøds-system. Med ugunstigt forløb menes anlæg, hvor der grundet komponenter og afkastrørs placering/geometri evt. vil kunne opstå ”lommer” med uforbrændt gas. Ligeledes kunne DGC ønske, at der blev foretaget måling på et anlæg, hvor flere måleudtag var til rådighed. Sådant kunne eventuelt udføres på anlægget med mere ugunstigt udstødssystem.

DGC-rapport 4

2.1 English summary

On behalf of the Danish natural gas companies Danish Gas Technology Centre (DGC) has conducted a survey concerning concentrations of un-burned hydrocarbons (UHC) during starts and stops at gas-engine based combined heat and power plants. Measurements were made at three natural-gas fired gas-engine based co-generation plants. Two of these have pre-chamber gas engines; at the third plant open-chamber gas engines were installed. Several start and stop sequences were made at each site. At one site also an emergency stop was made. At a number of plants (pre-chamber gas engines) forced short time ventila-tion of exhaust system has been installed the last years. A significant UHC-concentration reduction due to this was seen from the measurements at one of the two pre-chamber gas-engine CHP plants in this survey. The same significant effect was not seen during measurements at the other site. The measurements showed peak concentrations close to 35.000 ppm (vol.) for a very short time. This equals some 3% (vol.) unburned gas at the meas-uring point in the exhaust system. The highest concentrations were seen during the stop phase. The highest concentrations were measured at the open-chamber gas-engine plant. This was a bit surprising due to the fact that this particular engine, when in steady state operation, has low UHC emissions. Graphs presenting the results concentrations during starts and stops etc. at the different plants can be found in the report enclosures as Figures 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 3.1 and 3.2, the last two mentioned being results for the open-chamber engine.

DGC-rapport 5

3 Formål og baggrund

DGC har i forbindelse med målinger i bl.a. PSO/Eltra projektet /1/ lejlig-hedsvis konstateret, at der under start og/eller stop kan optræde betragtelig koncentration af uforbrændte kulbrinter (UHC), hidrørende fra uforbrændt og dermed brændbar gas. DGC har derfor, med en specialtilpasset målemetode, supplerende foretaget start/stop og dellastmålinger på tre forskellige gasmotorbaserede kraftvar-meanlæg (med og uden forkammer) for at få belyst UHC-emissionsforhol-dene med sigte på evt. sikkerhedsrisici under start/stop. Målingerne har haft til formål nærmere at belyse, hvilke koncentrationer der kan optræde og, om nødvendigt, at komme med forlag/anbefaling vedr. æn-dring af driftsforhold/anlægsudformning.

DGC-rapport 6

4 Gasmotorer til kraftvarmeproduktion i Danmark

4.1 Motortyper

Der er p.t. opstillet i alt ca. 750 naturgasfyrede gasmotorer (i alt ca. 900 MWe) til kraftvarmeproduktion i Danmark. Hertil kommer et antal biogas-drevne gasmotorer opstillet på renseanlæg mv. De fleste af motorerne er turboladede motorer med V-cylinderkonfiguration. Gasmotorerne har årligt i alt ca. 3-4 millioner driftstimer. Motorerne er stort set alle gnisttændingsmotorer, dvs. tænding sker ved tændrør. De større motorer er oftest forkammermotorer, hvor tænding ved tændrør sker i et forkammer med en mere brændselsrig gas/luftblanding. Der er opstillet i alt ca. 200 forkammergasmotorer med en samlet effekt på i alt 600 MWe. Blandt de helt eller delvist naturgasfyrede gasmotorer indgår fire motorer (effekt i alt 22 MWe), hvor tænding sker med en lille andel die-selolie, såkaldte duel fuel-motorer. Der optræder i alt ca. ca. 8 motorer (i alt 6 MWe), hvor der anvendes såvel naturgas som anden gas (oftest biogas). DGC bekendt er der opstillet motorer fra i alt ca. 20 forskellige motorleve-randører. Til de mht. installeret effekt mere betydende motorfabrikater må henregnes i alt ca. 8-10. 4.2 Anlægsopbygning

Anlæggene er i mange tilfælde opbygget/leveret med motorleverandøren som totalleverandør. Meget ofte indgår motorleverancen dog som underen-treprise, hvor så en totalleverandør står for valg og sammenbygning af det samlede kraftvarmeanlæg. En specifik motortype kan således optræde i for-skellige anlægsopbygninger. Et typisk motorbaseret kraftvarmeanlæg kan være som følger mht. kompo-nenter: • Motor/generator • Samlemanifold (for V-motorer) • Evt. skylningsarrangement 1) • Evt. oxidationskatalysator 2) • Lyddæmper 3)

DGC-rapport 7

• Røggaskølere/udstødskedler, er ofte delt i højtemperatur- og lavtempera-turdel.

• Afkastkanal • Skorsten 1) Særligt krav fra Sikkerhedsstyrelsen (tidl. DGP) for forkammermotorer, krav i seneste

reviderede udgave af Gasreglementet for større anlæg (GR-B4 i 1998). 2) På visse anlæg i gartnerisektoren kan der være indskudt endnu en katalysator (såkaldt

SCR eller DeNox-katalysator) for rensning af røgens NOx-indhold. 3) På visse anlæg er lyddæmperen integreret i røggaskøler.

Figur 1 Principskitse af gasmotoranlæg. Det viste anlæg er forsynet med

skylningsarrangement for udstødssystemet. De fleste anlæg er opbygget således, at motor/generator er opstillet i separat motorcelle. Røggasserne ledes op gennem loft i denne, og samlekassen samt lyddæmperen befinder sig oftest umiddelbart over motorcellen. For en lang række anlæg er også røggaskøler installeret over motorcellen. Røggaskøler-ne er oftest placeret horisontalt, dog forekommer også (gulvpladsbesparen-de) vertikalt forløb.

DGC-rapport 8

På Figur 2 og 3 er vist et par installationseksempler.

Figur 2 Røggaskedel mv. installeret over motorcelle.

Figur 3 Horisontalt gulvplacerede røggaskølere efter en række større

motorer.

DGC-rapport 9

4.3 Driftsforhold

Anlæggene har indtil nu i vidt omfang indrettet driften efter el-salgspriser i henhold til den såkaldte 3-leds elsalgstarif. Dette vil typisk sige i videst mu-ligt omfang konstant og høj produktion i formiddagstimer samt evt. efter-middagstimer på hverdage og i nødvendigt omfang produktion i dagtimer i weekender. Rimelig lang og stabil drift er muliggjort af akkumuleringstan-ke, og antallet af daglige start/stop har derfor for de fleste anlæg været be-grænset. Der er p.t. igangsat ændringer mht. markedsorienteret salg af el samt evt. reguleringsydelser mv. Dette vil kunne betyde hyppigere start/stop for en række anlæg for derigennem at opnå bedst mulig driftsøkonomi.

Figur 4 Frederikssund Kraftvarmeværk med varmeakkumuleringstank i

forgrunden af billedet. 4.4 Myndighedskrav

Gasreglementet /4/og /5/ stiller en række sikkerhedsmæssige krav i forbin-delse med start og stort af gasmotorer. For i videst muligt omfang at undgå uforbrændt gas i motormanifold/udstødssystem skal der ved start bl.a. være etableret et for tænding sikkert omdrejningstal samt være gnist fra tændrø-rene, førend gas må frigives. Ved stop skal gnist fra tændrør fortsætte et stykke tid efter, at gassen er afbrudt.

DGC-rapport 10

5 Data vedr. gasforbrænding

Naturgas er på grund af sit høje indhold af metan, ”mangel” på giftige be-standdele og en vægtfylde lavere end luft generelt et meget sikkert brændsel. Naturgas kræver en højere antændelsestemperatur end langt de fleste øvrige brændsler. Det koncentrationsinterval, hvor naturgas blandet med luft poten-tielt er eksplosionsfarligt, er snævrere end for de fleste andre brændsels-gastyper. I Tabel 1 er anført de brændselskarakteristika, der er relevante i relation til nærværende rapport. Tabel 1 Data vedr. antændelse af dansk naturgas fra /3/ og /7/ Antændelsestemperatur ca. 500°C1)

Nedre eksplosionsgrænse (LEL), volumenbasis

ca. 4.8 % (48.000 ppm) gas i luft2)

1) Kan variere med volumen og andre forhold. 2) Ved atmosfærisk tryk og 20°C, ved 350°C er antændelsesgrænsen eksempelvis 3 % gas

i luft.

Udstødstemperaturen er ved kontinuert drift for typiske gasmotorer er ca. 400-450°C efter turbolader. Før turbolader er temperaturen ca. 100°C høje-re. Iltkoncentrationen i røggaskanalen vil under start, drift og stopforløb typisk være 8-21 %. Dette påvirker ikke i væsentlig grad den nedre eksplosions-grænse.

DGC-rapport 11

6 Projektudførelse

6.1 Målemetode

DGC’s måleinstrumenter for UHC (uforbrændt) måler op til 10.000 ppm. Dette er normalt tilstrækkeligt, idet der oftest højest måles op til 2.000 ppm under stabil drift. Dog har DGC under start mv. set, at der på måleinstru-mentet er konstateret fuldt udslag, hvilket svarer til, at der er UHC-koncentration over 10.000 ppm (vol.); det samme som 1 % (vol.). For at fastlægge, hvor højt koncentrationen kommer op, og om dette evt. skulle være i det eksplosionsfarlige område, må der kunne måles op til 4 % (dvs. til 40.000 ppm). Dette udføres ved at fortynde gasstrømmen, der måles på, med fx fire dele nitrogen fra trykflaske. Fortyndingsforholdet kontrolleres ved at måle flow i såvel prøveudtag fra røggaskanal som nitrogen flow fra flaske samt kontrol ved sammenligning af fx koncentration af O2 i fortyndet og ufortyndet røg-gas. Den anvendte UHC-analysator er en FID (Flame Ionisation Detection) ana-lysator. Denne registrerer den samlede andel brændbare kulbrinter. Visnin-gen omregnes og angives i metan (CH4) ækvivalenter. For en gas, der også har en andel tungere kulbrinter (etan, propan, butan osv.), vil målervisnin-gen, hvis det er uforbrændt naturgas, der måles, være lidt højere end den aktuelle (volumen-)koncentration af brændselsgas i røggassen. Med den aktuelle sammensætning af den danske naturgas, kan målervisningen korri-geres med en faktor 0.87 for at omregne fra angivne metanækvivalenter til aktuel uforbrændt gaskoncentration. Dette vil sige, at hvis målervisningen er fx 10.000 ppm metanækvivalenter, vil dette svare til 8700 ppm naturgas med gassens nuværende kulbrintefordeling. 6.2 Udvælgelse af anlæg

Første måleserie er gennemført på et anlæg, der i henhold til /1/ tilsynela-dende havde høj emission af UHC under start/stop. Den aktuelle motor er af forkammertypen. Anlægget er forsynet med tvungen skylning af udstøds-systemet før start. Røggasudtag er placeret umiddelbart efter lavtemperatur røggaskøleren.

DGC-rapport 12

Næste måleserie blev foretaget på et andet større forkammer gasmotoran-læg. Her er opstillet motor af andet fabrikat end ved måleserie 1. På dette anlæg gav anlægsejeren mulighed for afprøvning af nødstop og måling af de hermed forbundne emissioner. Røggasudtag er placeret umiddelbart efter lavtemperatur røggaskøler. Tredje måleserie er foretaget på et anlæg, hvor der er opstillet flere (ens) mellemstore gnisttændings åbenkammermotorer. Dette anlæg er ikke forsy-net med tvungen skylning af udstødssystem ved start og/eller stop. På dette anlæg var røggasudtaget placeret umiddelbart efter lyddæmper, dvs. længere opstrøms i røggassen end for de første to anlæg og før køling af røggassen. 6.3 Oversigt over udførte målinger

Der er gennemført følgende måleserier: Anlæg 1: I alt 2 stop og genstartforløb. Anlæg 2: Et nødstop samt efterfølgende genstartforløb. Herudover et

normalt stop og senere genstartforløb. Anlæg 3: I alt 2 stop og senere genstartforløb. Der er foretaget følgende måleregistreringer ved alle målingerne:

• Tidspunkt • Gasforbrug • O2 % i røggas • CO-koncentration i røggas • NOx-koncentration i røggas • UHC-koncentration i røggas

Det anvendte måleudstyr er nærmere beskrevet i rapportens Bilag 4.

DGC-rapport 13

7 Måleresultater

Der er som nævnt foretaget målinger på i alt tre forskellige anlæg (to for-kammermotorer og et åbenkammer ditto). På alle anlæg er foretaget mere end et start/stop-forløb. På et af anlæggene omfattede dette også et nødstop. Sidstnævnte gav i øvrigt ikke væsentligt højere UHC-niveau. Der var oprindelig tilstræbt, hvis fysisk muligt, at måle i flere målepunkter på anlæggene. Dette har ikke været muligt på de valgte anlæg. Herunder ses hovedresultaterne i ”runde tal”. Tabel 2 Måleresultater, oversigt Anlæg nr.

Type Motorydelse

kWe

Maks. gaskon-

centrationv. start

%

Maks. gaskon-

centration v. stop

%

Måleudtag, placering

1 Forkammer Ca. 3000 2,0 2,3 Efter veksler

2 Forkammer Ca. 3000 1,6 1,6 Efter veksler

3 Åbenkammer Ca. 1300 3,0 0,9 I lyddæmper/veksler

Som det fremgår af tabellen, måltes højest emission af UHC på åbenkam-mermotoren. Det skal dog siges, at tidsrummet, hvor dette måltes, var meget kortere end, og den samlede specifikke mængde UHC derfor mindre end, for de øvrige motorer/enheder. Det lader sig desværre ikke afgøre om, måle-stedet i virkeligheden spiller ind her. Visse af de målte gaskoncentrationer nærmer sig gassens nedre eksplosions-grænse, jf. gasdata i Kapitel 5. For forkammer gasmotorerne i undersøgelsen måltes højere (eller lige så høj) koncentration ved stop i forhold til start. Der er ud over UHC også målt følgende røggaskomponenter CO, NOx og O2

For mere detaljerede oplysninger om måleresultaterne henvises til graferne i målerapporterne (Bilag 1-3).

DGC-rapport 14

8 Referencer

/1/ ELTRA PSO Projekt 3141: Kortlægning af emissioner fra decentrale kraftvarmeværker; afsluttet 2003.

/2/ Sikkerhedsstyrelsen (tidl. DGP): Aktionsplan for forøget sikkerhed, større gasmotorer, afsluttet 2003.

/3/ Gashåndbog, DGC-information, april 2001.

/4/ Sikkerhedsstyrelsen i Gasreglement Afsnit B-4 (større gasfyrede an-læg), oktober 1998.

/5/ Sikkerhedsstyrelsen i Gasreglement Afsnit B-41 (”Forskrifter for gasmotorinstallationer”), september 1991.

/6/ DGC anbefaling i ”Sikker installation og drift af gasmotor kraftvar-meanlæg”, januar 2004.

/7/ Selvantændelse af naturgas, DGC-projektrapport, juli 2001.

DGC-rapport 15

Bilag Bilag 1: Målerapport 1 Bilag 2: Målerapport 2 Bilag 3: Målerapport 3 Bilag 4: Anvendt måleudstyr Omstående bilag er målerapporterne for de målinger, der er foretaget i det aktuelle projekt. I målerapporterne (bilag 1-3) anvendes betegnelsen UHC for uforbrændt gas. De angivne værdier er måleinstrumentsvisning, dvs. metanækvivalen-ter. Som anført i hovedrapporten, skal de viste værdier multipliceres med faktoren 0,87 for at angive den tilsvarende koncentration af uforbrændt (dansk) naturgas. Dette betyder, at anføres der i omstående en måling på eksempelvis 10.000 ppm metanækvivalenter i røggas, svarer dette til en andel naturgas på 8.700 ppm i røggassen. DGC har fra en lang række tidligere undersøgelser (senest /1/) erfaret, at restgasindholdet i røggas har en sammensætning, der er identisk med brændselsgassen.

DGC-rapport 16

BILAG 1 Målerapport 1 Projekt 724.76 Uforbrændt under start og stop. Emissionsmåling Emissionsmålinger på gasmotor under start og stop udført den 19.08.2003 Indledning

Der er den 19.08.2003 foretaget en måling af emissioner på et gasmotorba-seret kraftvarmeanlæg for at bestemme røggassens indhold af uforbrændt gas under start og stop. Gennemførte målinger (emissioner)

Der er udført to måleserier, hver med en stop- og en startsekvens samt nor-mal drift før stop og efter start. Samtidig er motorens gasforbrug registreret, med henblik på optegnelse af kurve for motorens belastning. Måleserierne er vist grafisk på Figur 1.1 og 1.2. Der er anvendt udstyr til fortynding af røggassen med nitrogen under målin-gen, idet indholdet af uforbrændt gas forventedes at overstige måleudstyrets måleområde. På kurvebladene Figur bilag 1.1 og 1.2 er der korrigeret for denne fortynding, det vil sige aksernes enheder svarer til de faktiske emissi-oner i ufortyndet røggas. Tekniske oplysninger

Målingerne er foretaget på en større forkammer gnisttændingsgasmotor på ca. 3 MWe opstillet i 1997. Røggasudtaget er placeret efter røggasveksler, umiddelbart før indløb i skorsten. Resultater

Nedenstående tabel viser emissionerne ved første og andet stop-startforløb.

DGC-rapport 17

1. stop 1. start 2. stop 2. start

UHC [ppm] 26.000 21.000 27.000 22.000

CO [ppm] 1500 2300 1800 2400

CO-spids [ppm] 2500 - 2700 -

Ved første stop-forløb (Figur bilag 1.1) ses en kraftig stigning i UHC-koncentration, der derefter flader ud ved ca. 26.000 ppm. Når motoren er stoppet ses et hurtigt fald til ca. 23.000 ppm, hvorefter koncentrationen langsomt aftager med skorstenstrækket. Det bratte fald herefter skyldes røg-gasventilation før start. Ved start af motoren ses en kortvarig stigning til godt 21.000 ppm, og derefter aftager koncentrationen mens motorens last øges. Sammenhængen mellem emissioner og motorens belastning anskue-liggøres ved kurven for gasforbruget. Med hensyn til emission af CO ses, at ved stop øges koncentrationen mo-mentant til ca. 2.500 ppm, falder kort efter til ca. 1500 ppm, der er niveauet ved tomgangsdrift. Som det er tilfældet med UHC, falder CO med trækket i skorstenen indtil røggasventilationen starter. Ved start af motoren nås et niveau på ca. 2300 ppm der derefter aftager til normalt niveau i takt med, at belastningen på motoren øges. Samme forløb ses af kurverne ved andet start-stopforløb (Figur bilag 1.2). Her opnås en UHC-koncentration på ca. 27.000 ppm, og ved start ses en kortvarig emission på ca. 22.000 ppm. CO-emissionen når ved stop en spids på ca. 2700 ppm, hvorefter emissionen under tomgangsdrift er ca. 1800 ppm. Ved start ses en spids på ca. 2400 ppm. Figurer bilag måling 1:

1. Kurver for første stop-startforløb 2. Kurver for andet stop-startforløb

DGC-rapport 18

Bilag 1, Figur 1.1

Forkammermotor 1, 1. start-stopforsøg19-08-2003, ufortyndet røggas

2500 21.0

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

12:05 12:15 12:25 12:35

Tidspunkt

CO &

NO

x [p

pm]

0.0

2.1

4.2

6.3

8.4

10.5

12.6

14.7

16.8

18.9

O2

[%-v

ol]

O2

CO

Ven

tiler

ing

NOx

Stop-forløbStart-forløb

Gasforbrug


0.00

3000.00

6000.00

9000.00

12000.00

15000.00

18000.00

21000.00

24000.00

27000.00

30000.00

12:05 12:15 12:25 12:35

Tidspunkt

UHC

[pp

m]

0.0

2.1

4.2

6.3

8.4

10.5

12.6

14.7

16.8

18.9

21.0

O2

[%-v

ol]

UHC

O2

Start-forløb

Ven

tiler

ing

Stop-forløbGasforbrug

19 DGC-rapport

Bilag 1, Figur 1.2


0

300

600

900

1200

1500

1800

2100

2400

2700

3000

13:03 13:08 13:13 13:18 13:23 13:28 13:33

Tidspunkt

CO &

NO

x [p

pm]

0.0

2.2

4.4

6.6

8.8

11.0

13.2

15.4

17.6

19.8

22.0

O2

[%-v

ol]

O2

NOx

CO

Vent

ilerin

g

Start-forløbStop-forløb

Gasforbrug


12000

15000

18000

21000

24000

27000

30000

UHC

[ppm

]

8.8

11.0

13.2

15.4

17.6

19.8

22.0

O2

[%-v

ol]

0

3000

6000

9000

13:03 13:08 13:13 13:18 13:23 13:28 13:33

Tidspunkt

0.0

2.2

4.4

6.6

O2

UHC

StopforløbStartforløbrin

gV

entil

e

Gasforbrug

DGC-rapport 20

BILAG 2 Målerapport 2 Projekt 724.76 Uforbrændt under start og stop. Emissionsmåling Emissionsmålinger på gasmotor under start og stop udført den 03.11.2003 Indledning

Der er den 03.11.2003 foretaget en måling af emissioner på et forkammer gasmotoranlæg for at bestemme røggassens indhold af uforbrændt gas under start og stop. Gennemførte målinger (emissioner)

Der er udført to måleserier, én under nødstop af motoren og efterfølgende start samt én med normal stop- og startsekvens. I begge tilfælde der der målt ved normal drift før stop og efter start. Samtidig er motorens gasforbrug registreret, med henblik på optegnelse af kurve for motorens belastning. Måleserierne er vist grafisk på Figurer bilag 2.1 og 2.2. Der er anvendt udstyr til fortynding af røggassen med nitrogen under målin-gen, idet indholdet af uforbrændt gas forventedes at overstige måleudstyrets måleområde. På kurvebladene Figur 2.1 og 2.2 er der korrigeret for denne fortynding, det vil sige aksernes enheder svarer til de faktiske emissioner i ufortyndet røggas. Tekniske oplysninger

Målingerne er foretaget på en gasmotor med forkammer fra 1994 på ca. 3 MWe. Røggasudtaget er placeret efter røggasveksler, umiddelbart før indløb i skorsten.

DGC-rapport 21

Resultater


nødstop 1. start 2. stop 2. start

UHC [ppm] 17.000 16.000 18.000 18.000

CO [ppm] => 0 400 1700 550

CO-spids [ppm] - 1700 - 1700

Ved nødstopforløb (Figur bilag 2.1) ses en kraftig, kortvarig stigning i UHC-koncentration til ca. 17.000 ppm. Når motoren er stoppet ses et hurtigt fald til under 1000 ppm. Ved start af motoren ses en kortvarig stigning til ca. 17.000 ppm, og derefter aftager koncentrationen hurtigt til ca. 2200, der er normal UHC-emission ved fuld last for denne motortype. Sammenhæn-gen mellem emissioner og motorens belastning anskueliggøres ved kurven for gasforbruget.

Med hensyn til emission af CO ses, at ved nødstop falder koncentrationen brat til 0 ppm, da forbrændingen umiddelbart ophører. Ved opstart af moto-ren ses en spids på ca. 1700 ppm der derefter aftager til ca. 400 ppm ved opkørsel, hvorefter der opnås normalt niveau (ca. 300 ppm) i takt med, at belastningen på motoren øges.

Ved normalt, kontrolleret stop ses en stigning i UHC-koncentrationen til ca. 18.000 ppm. Denne falder brat når motoren er stoppet. (Figur bilag 2.2). Ved start ses, som tidligere en stigning til 18.000 ppm, der falder efter kort tid til motorens normale niveau.

CO-emissionen når ved stop en spids på ca. 1700 ppm. Ved opstart ses en spids på ca. 1700 ppm og under opkørsel et niveau på ca. 550 ppm.

Formålet med denne måling var at konstatere om der forekommer større UHC-emission ved et nødstop / shutdown end ved et normalt kontrolleret stop. Dette er ikke tilfældet for denne motortype. Figurer, bilag måling 2:

2.1. Kurver for første stop-startforløb (nødstop) 2.2 Kurver for andet stop-startforløb

22 DGC-rapport

Figurer bilag 2.1

Forkammermotor 2, nødstop & alm. start03-11-2003, ufortyndet røggas

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

12:30 12:40 12:50 13:00

Tidspunkt

CO &

NO

x [p

pm]

0.0

2.1

4.2

6.3

8.4

10.5

12.6

14.7

16.8

18.9

21.0

O2

[%-v

ol]

O2

CONOx

Nødstop Start-forløb

Gasforbrug

03-11-03, ufortyndet røggas, Nødstop & alm. start

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

UH

C [

ppm

]

8.4

10.5

12.6

14.7

16.8

18.9

21.0

O2

[%-v

ol]

0

2000

4000

6000

12:30 12:40 12:50 13:00

Tidspunkt

0.0

2.1

4.2

6.3

UHC

O2

Nødstop

Gasforbrug

Start-forløb

Forkammermotor 2, nødstop & alm. start03-11-2003, ufortyndet røggas

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

UHC

[pp

m]

6.3

8.4

10.5

12.6

14.7

16.8

18.9

21.0

O2

[%-v

ol]

0

2000

4000

12:30 12:40 12:50 13:00

Tidspunkt

0.0

2.1

4.2

UHC

O2

Start-forløb

Nødstop

Gasforbrug

23 DGC-rapport

Figurer bilag 2.2

Forkammermotor 2, 2. stop & start03-11-2003, ufortyndet røggas

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

13:03 13:13 13:23 13:33 13:43 13:53 14:03

Tidspunkt

CO &

NO

x [p

pm]

0.0

2.1

4.2

6.3

8.4

10.5

12.6

14.7

16.8

18.9

21.0

O2

[%-v

ol]

O2

CO

NOx

Start-forløb

Gasforbrug

Stop-forløb

Forkammermotor 2, 2. stop & start03-11-2003, ufortyndet røggas

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

UHC

[pp

m]

8.4

10.5

12.6

14.7

16.8

18.9

21.0

O2

[%-v

ol]

0

2000

4000

6000

13:03 13:13 13:23 13:33 13:43 13:53 14:03

Tidspunkt

0.0

2.1

4.2

6.3

UHC

O2

Gasforbrug

Start-forløb

Stop-forløb

DGC-rapport 24

BILAG 3 Emissionsmålinger på gasmotor under start og stop udført den 12.01.2004 Indledning

I projektet er der den 12.01.2004 foretaget en måling af emissioner for at bestemme røggassens indhold af uforbrændt gas under start og stop. Gennemførte målinger (emissioner)

Der er udført to måleserier med normale stop- og startsekvenser. I begge tilfælde er der målt ved normal drift før stop og efter start. Samtidig er mo-torens gasforbrug registreret, med henblik på optegnelse af kurve for moto-rens belastning. Anlægget består af flere identiske gasmotorer, hvoraf alle, bortset fra en, kører uden driftsændringer, mens den sidste motor stoppes og startes. Måleserierne er vist grafisk på Figur 3.1 og 3.2. Der er anvendt udstyr til fortynding af røggassen med nitrogen under målin-gen, idet indholdet af uforbrændt gas forventedes at overstige måleudstyrets måleområde. På kurvebladene, Figur 3.1 og 3.2 er der korrigeret for denne fortynding, det vil sige aksernes enheder svarer til de faktiske emissioner i ufortyndet røggas. Tekniske oplysninger

Målingerne er udført på en 1,3 MWe gasmotor af åbenkammertypen, opstil-lingsår 1994. Røggasudtaget er placeret i røggaskanal mellem lyddæmper og røggasveks-ler.

DGC-rapport 25

Resultater


1. stop 1. start 2. stop 2. start UHC [ppm] 10.000 30.000 10.000 35.000 CO [ppm] => 0 700 => 0 700 CO-spids [ppm] - 2400 - 1700

Ved stop af motoren ses i begge tilfælde en ganske kortvarig stigning i UHC-koncentration til ca. 10.000 ppm. Efter stop er koncentrationen i ud-stødssystemet ca. 2000 ppm. Ved start ses en momentan stigning til 30-35.000 ppm, der dog hurtigt fal-der til ca. 17.000 ppm, der er niveauet mens motoren kobler ind på elnettet. Denne koncentration falder til normalt niveau mens motoren tager last. CO-koncentration falder fra normalt niveau til 0 når motoren stopper, mens der kommer en kortvarig stigning til ca. 700 ppm ved start. Dette falder til normalt niveau mens motoren kobler ind og tager last. Formålet med denne måling var at få en ide om UHC-emissionen fra en åbenkammermotor under start og stop. Målingerne viser, at spidsniveauet er højere end for forkammermotorer, men det høje niveau optræder i et ganske kort tidsrum. Den totale mængde af UHC ved start og stop af denne motor er derfor mindre end tidligere set for forkammermotorer. 02.02.2004 Steen D. Andersen Laboratoriet. Figurbilag måling 3:

3.1 Kurver for første stop-startforløb 3.2 Kurver for andet stop-startforløb

DGC-rapport 26

Figur 3.1 Kurver for emissioner og gasforbrug, 1. stop-startforsøg.

Åbenkammermotor, 1. stop-start12-01-2004, ufortyndet røggas

3600

4000

18.9

21.0

0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

12:46 12:56 13:06 13:16

Tidspunkt

CO &

NO

x [p

pm]

0.0

2.1

4.2

6.3

8.4

10.5

12.6

14.7

16.8

O2

[%-v

ol]

O2

CO

NOx

Stop-forløbStart-forløb

NOx

Gasforbrug

3 motorer

4 motorer


0

3500

7000

10500

14000

17500

21000

24500

28000

31500

35000

12:46 12:56 13:06 13:16

Tidspunkt

UH

C [

ppm

]

0.0

2.1

4.2

6.3

8.4

10.5

12.6

14.7

16.8

18.9

21.0

O2

[%-v

ol]

UHC

O2

Start-forløbStopforløb

UHC

27 DGC-rapport DGC-rapport 27

Figur 3.2 Figur 3.2 Kurver for emissioner og gasforbrug, 2. stop-startforsøg. Kurver for emissioner og gasforbrug, 2. stop-startforsøg.


0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3600

4000

13:22 13:32 13:42

Tidspunkt

CO &

NO

x [p

pm]

0.0

2.1

4.2

6.3

8.4

10.5

12.6

14.7

16.8

18.9

21.0

O2

[%-v

ol]

O2

CO

NOx

Stop-forløb

Start-forløb

NOx

3 motorerGasforbrug

4 motorer


17500

21000

24500

28000

31500

35000

UH

C [

ppm

]

10.5

12.6

14.7

16.8

18.9

21.0

2 [%

-vol

]

0

3500

7000

10500

14000

13:22 13:32 13:42 13:52

Tidspunkt

0.0

2.1

4.2

6.3

8.4 O

UHC


O2

UHC


0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3600

4000

13:22 13:32 13:42

Tidspunkt

CO &

NO

x [p

pm]

0.0

2.1

4.2

6.3

8.4

10.5

12.6

14.7

16.8

18.9

21.0

O2

[%-v

ol]

O2

CO

NOx

Stop-forløb

Start-forløb

NOx

3 motorerGasforbrug

4 motorer


0

3500

7000

10500

14000

17500

21000

24500

28000

31500

35000

13:22 13:32 13:42 13:52

Tidspunkt

UH

C [

ppm

]

0.0

2.1

4.2

6.3

8.4

10.5

12.6

14.7

16.8

18.9

21.0

O2

[%-v

ol]

UHC

O2


UHC

DGC-rapport 28

BILAG 4

Anvendt måleudstyr

Røggas - konditionering

Den røggasdelstrøm, som udtages til analysatorerne, er konditioneret på følgende måde: - Grov fugtighed opsamles i en dråbeudskiller - Røggassen tørres i en køletørrer med kapacitet 0 - 10 l/min med sænkning af vanddugpunktet til 2 ± 1°C - Røggassen filtreres i et partikelfinfilter med en effektivitet på >99,9% for partikler på 0,3 µm - Røggassen fordeles via flowmetre til de enkelte analysatorer - DGC-nr.: 01702 / Betjeningsvejledning B-01701 Iltindhold i røggas

Røggassens iltindhold er målt med en paramagnetisk iltmåler på tørret røg-gas. Iltmåleren har følgende data: Fabrikat: SERVOMEX Type: 572 - paramagnetisk Måleområde: 0 - 100 %-vol. Reproducerbarhed: < 0,2% O2

Linearitet: < 0,3% O2

Kalibrering: N2 og atmosfærisk luft DGC-nr.: 00202/Betjeningsvejledning B-00202

DGC-rapport 29

Kulilte i røggas Røggassens indhold af kulilte er målt med en infrarød absorptions-analysator. Målingen er udført på tørret røggas. Analysatorens data er føl-gende: Fabrikat: Hartmann & Braun AG Type: Uras 14 Måleområder: 0 - 300 og 0 - 2500 ppm Anvendt måleområde: 0 - 2500 Reproducerbarhed: ≤ 0,5% af måleområde Linearitet: ≤ 1% af måleområde Kalibrering: N2 og kalibreringsgas med 249 henholdsvis

1990 ppm CO i kvælstof. DGC-nr.: 00404/Betjeningsvejledning B-00404 Kvælstofilte i røggas

Røggassens indhold af kvælstofilter er målt med en kemiluminiscensanaly-sator, som bygger på måling af lysemissionen fra kvælstofiltes reaktion med ozon. Målingen er udført på tørret røggas. Analysatorens data er følgende: Fabrikat: Thermo Environmental Instruments Inc. Type: 10 A/R - kemiluminiscens Måleområde: 0 - 2,5 til 0 - 10000 ppm i 8 områder Anvendt måleområde: 0 – 250 og 0 - 1000 ppm Reproducerbarhed: 1% af fuld skalaværdi Linearitet: ± 1% fra 0,05 – 2000 ppm med luft til ozongenerator ± 1% fra 0,05 – 10000 ppm med ilt til ozongenerator Kalibrering: N2 og kalibreringsgas med 192 henholdsvis

396 ppm NO i kvælstof DGC-nr.: 00301 / Betjeningsvejledning B-00301

DGC-rapport 30

Kulbrinte i røggas

Røggassens indhold af uforbrændt kulbrinte er målt med en flammeionisati-onsdetektor. Målingen er udført på tørret røggas. Analysatorens data er føl-gende: Fabrikat: AAL (Analysis Automation Limited) Type: 523 Måleområde: 0 - 10 til 0 - 10.000 i 7 områder Anvendt måleområde: 0 - 10.000 Reproducerbarhed: ± 1% af måleområde Linearitet: ± 1% af måleområde Kalibrering: N2 og kalibreringsgas med 1960 ppm CH4 i kvælstof DGC-nr.: 00601 / Betjeningsvejledning B-00601 Kalibrering af røggasanalysatorer før måling samt kontrol efter måling Røggasanalysatorerne er kalibreret før måling, og visning er kontrolleret efter endt måling. Ud fra kalibrerings- og kontroldata er der foretaget kor-rektion (lineær) af de målte værdier. Desuden er fortyndingsgraden kontrol-leret før og efter måling, og de målte værdier er lineært korrigeret med hen-syn til fortyndingsgrad. Gasforbrug Gasforbruget er målt ved videokamera overvågning af afregningsmåler med samtidig tidsregistrering.

emission af uforbrændt gas/kulbrinter under start …...2 resume og konklusion der er i projektet...

Documents