Selection and thermodynamic analysis of a turbocharger for a producer gas-fuelled multi-cylinder engine

The current work addresses the use of producer gas, a bio-derived gaseous alternative fuel, in engines designed for natural gas, derived from diesel engine frames. Impact of the use of producer gas on the general engine performance with specific focus on turbo-charging is addressed. The operation of a particular engine frame with diesel, natural gas and producer gas indicates that the peak load achieved is highest with diesel fuel (in compression ignition mode) followed by natural gas and producer gas (both in spark ignite mode). Detailed analysis of the engine power de-rating on fuelling with natural gas and producer gas indicates that the change in compression ratio (migration from compression to spark ignited mode), difference in mixture calorific value and turbocharger mismatch are the primary contributing factors. The largest de-rating occurs due to turbocharger mismatch. Turbocharger selection and optimization is identified as the strategy to recover the non-thermodynamic power loss, identified as the recovery potential (the loss due to mixture calorific value and turbocharger mismatch) on operating the engine with a fuel different from the base fuel. A turbocharged after-cooled six cylinder, 5.9 l, 90 kWe (diesel rating) engine (12.2 bar BMEP) is available commercially as a naturally aspirated natural gas engine delivering a peak load of 44.0 kWe (6.0 bar BMEP). The engine delivers a load of 27.3 kWe with producer gas under naturally aspirated mode. On charge boosting the engine with a turbocharger similar in configuration to the diesel engine turbocharger, the peak load delivered with producer gas is 36 kWe (4.8 bar BMEP) indicating a de-rating of about 60% over the baseline diesel mode. Estimation of knock limited peak load for producer gas-fuelled operation on the engine frame using a Wiebe function-based zero-dimensional code indicates a knock limited peak load of 76 kWe, indicating the potential to recover about 40 kWe. As a part of the recovery strategy, optimizing the ignition timing for maximum brake torque based on both spark sweep tests and established combustion descriptors and engine-turbocharger matching for producer gas-fuelled operation resulted in a knock limited peak load of 72.8 kWe (9.9 bar BMEP) at a compressor pressure ratio of 2.30. The de-rating of about 17.0 kWe compared to diesel rating is attributed to the reduction in compression ratio. With load recovery, the specific biomass consumption reduces from 1.2 kg/kWh to 1.0 kg/kWh, an improvement of over 16% while the engine thermal efficiency increases from 28% to 32%. The thermodynamic analysis of the compressor and the turbine indicates an isentropic efficiency of 74.5% and 73%, respectively.

Effect of port gas injection on in-cylinder stratification in a CNG fuelled SI engine

The concept of barrel stratification of air-fuel mixture is evaluated for a port gas injection (PGI) single cylinder spark ignition (SI) internal combustion (IC) engine using a transient three-dimensional computational fluid dynamic (CFD) model. The gaseous fuel used in the study is compressed natural gas (CNG). It is observed that compared to the premixed gas carburettor case, a substantial amount of in-cylinder stratification can be achieved with port gas injection system. A detailed parametric study is reported to understand the effect of the various injection parameters such as injection location, injection orientation, start of injection (SOT) and its duration, and injection rate. Furthermore, the best injection timing is evaluated for various load and speed cases. It is observed that the best stratification pattern can be achieved at 50% engine load. The injection location is observed to have a profound effect on the in-cylinder stratification pattern, and injection towards the side of the spark plug is observed to give a rich fuel-air mixture near the spark plug. It is also shown that there exists an optimal injection pressure.

In-cylinder investigations and analysis of a SI gas engine fuelled with H-2 and CO rich syngas fuel: Sensitivity analysis of combustion descriptors for engine diagnostics and control

The sensitivity of combustion phasing and combustion descriptors to ignition timing, load and mixture quality on fuelling a multi-cylinder natural gas engine with bio-derived H-2 and CO rich syngas is addressed. While the descriptors for conventional fuels are well established and are in use for closed loop engine control, presence of H-2 in syngas potentially alters the mixture properties and hence combustion phasing, necessitating the current study. The ability of the descriptors to predict abnormal combustion, hitherto missing in the literature, is also addressed. Results from experiments using multi-cylinder engines and numerical studies using zero dimensional Wiebe function based simulation models are reported. For syngas with 20% H-2 and CO and 2% CH4 (producer gas), an ignition retard of 5 +/- 1 degrees was required compared to natural gas ignition timing to achieve peak load of 72.8 kWe. It is found that, for syngas, whose flammability limits are 0.42-1.93, the optimal engine operation was at an equivalence ratio of 1.12. The same methodology is extended to a two cylinder engine towards addressing the influence of syngas composition, especially H-2 fraction (varying from 13% to 37%), on the combustion phasing. The study confirms the utility of pressure trace derived combustion descriptors, except for the pressure trace first derivative, in describing the MBT operating condition of the engine when fuelled with an alternative fuel. Both experiments and analysis suggest most of the combustion descriptors to be independent of the engine load and mixture quality. A near linear relationship with ignition angle is observed. The general trend(s) of the combustion descriptors for syngas fuelled operation are similar to those of conventional fuels; the differences in sensitivity of the descriptors for syngas fuelled engine operation requires re-calibration of control logic for MBT conditions. Copyright (C) 2014, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Life-cycle analysis of energy and greenhouse gas emissions of automotive fuels in India: Part 2-Well-to-wheels analysis

In this second of the two-part study, the results of the Tank-to-Wheels study reported in the first part are combined with Well-to-Tank results in this paper to provide a comprehensive Well-to-Wheels energy consumption and greenhouse gas emissions evaluation of automotive fuels in India. The results indicate that liquid fuels derived from petroleum have Well-to-Tank efficiencies in the range of 75-85% with liquefied petroleum gas being the most efficient fuel in the Well-to-Tank stage with 85% efficiency. Electricity has the lowest efficiency of 20% which is mainly attributed due to its dependence on coal and 25.4% losses during transmission and distribution. The complete Well-to-Wheels results show diesel vehicles to be the most efficient among all configurations, specifically the diesel-powered split hybrid electric vehicle. Hydrogen engine configurations are the least efficient due to low efficiency of production of hydrogen from natural gas. Hybridizing electric vehicles reduces the Well-to-Wheels greenhouse gas emissions substantially with split hybrid configuration being the most efficient. Electric vehicles do not offer any significant improvement over gasoline-powered configurations; however a shift towards renewable sources for power generation and reduction in losses during transmission and distribution can make it a feasible option in the future. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Experimental study and simulation principles of an oil-gas multiphase transportation system

Presented is an experimental study on the performance of an oil-gas multiphase transportation system, especially on the multiphase flow patterns, multiphase pumping and multiphase metering of the system. A dynamic simulation analysis is conducted to deduce simulation parameters of the system and similarity criteria under simplified conditions are obtained. The reliability and feasibility of two-phase flow experiment with oil and natural gas simulated by water and air are discussed by using the similarity criteria.

A reserva estatal de atividade econômica e a propriedade do petróleo e do gás natural

A partir de uma pesquisa histórica sobre a regulação da atividade petrolífera nacional, constatou-se que as jazidas de petróleo e de gás natural são bens públicos cuja exploração é constitucionalmente reservada ao Estado. Ademais, a delegação da exploração desses bens, por meio de concessão ou de partilha de produção, mantém a propriedade estatal desses recursos naturais.

Households WTP for the Reliability of Gas Supply

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Contribuição para o planejamento brasileiro de exploração de petróleo e gás natural através da formulação de uma política nacional de uso sustentável das reservas de petróleo e gás natural

Petróleo e gás natural são recursos naturais não renováveis que possuem grande participação na matriz energética mundial e tendência de crescimento na matriz nacional, cujo marco regulatório limita-se a definir critérios técnicos e procedimentais sem incorporar o modelo de sustentabilidade instituído pela Constituição Federal de 1988. A natureza finita dos recursos não renováveis, como o petróleo e o gás natural, exige uma visão do planejamento de sua exploração de longo prazo na definição dos objetivos e metas. Essa perspectiva de longo prazo traduz uma das preocupações do desenvolvimento sustentável: a garantia de direitos para as futuras gerações. Assim, ao procurar fornecer elementos para a tradução do modelo de desenvolvimento sustentável no arcabouço institucional e legal da indústria petrolífera vigente no Brasil, o presente trabalho busca contribuir para o aprimoramento da regulação petrolífera nacional e a qualidade de vida das gerações presentes e futuras. E, mais do que propor a elaboração de um projeto de lei, como modalidade de implantação de uma política pública, queremos contribuir para o fortalecimento das práticas e ações governamentais voltadas para a aplicação do desenvolvimento sustentável, consoante apregoa a Constituição Federal brasileira. Trata-se aqui de demonstrar, através de metodologia quali-quantitativa, a tese de que é possível incorporar o princípio constitucional de desenvolvimento sustentável na atividade de exploração e produção de petróleo e gás natural, formulando uma política pública que incorpore, no regime de propriedade do petróleo, a variável ambiental e o uso intergeracional que já haviam sido e continuam sendo aplicados a algumas fontes renováveis de energia. Inicialmente, identificamos a composição da matriz energética brasileira desde a inserção do petróleo como uma questão de Estado a partir dos anos 50 do século XX. Em seguida, analisamos a concepção legal e doutrinária para propor, então, a conceituação de um modelo de desenvolvimento energético sustentável, estruturante para a proposição de uma política nacional para a indústria petrolífera. Com base nessa conceituação, analisamos o marco regulatório e os procedimentos institucionais praticados atualmente para identificar as lacunas existentes no ordenamento a serem supridas pela política nacional proposta. A partir da análise dos contextos legal e institucional, e das políticas energética e ambiental, propomos a tradução de conceitos, objetivos, princípios e instrumentos num projeto de lei de Política Nacional de Uso Sustentável das Reservas de Petróleo e Gás Natural. Concluímos tecendo considerações gerais e específicas sobre a proposição aqui formulada com vistas ao aprimoramento do modelo nacional de gestão de recursos energéticos e ao fomento das discussões voltadas para a sustentabilidade das políticas públicas e as práticas privadas enraizadas na exploração irracional de recursos não renováveis

Fundamentos da exploração de petróleo e gás natural e análise geoeconômica da matriz energética brasileira atual e projeções futuras

A análise da matriz energética mundial, assim como a brasileira, nos mostra que o gás natural representará em breve um importante insumo energético favorecendo a balança de pagamentos nacional, visto que o gás poderá ser usado tanto para consumo interno, quanto para exportação. O aumento das reservas nacionais de hidrocarbonetos se deve ao desenvolvimento de tecnologias, que favoreceram o conhecimento das bacias brasileiras quanto ao seu potencial produtor de combustíveis fósseis, permitindo a descoberta de novas jazidas. O amadurecimento do mercado nacional quanto ao consumo de gás natural passa pela construção de uma infraestrutura robusta, eficiente e que possibilite a captação, o armazenamento e distribuição do mesmo. O Brasil tem todos os requisitos necessários para adentrar ao seleto grupo de países exportadores de hidrocarbonetos, a descoberta do Pré-sal tende a incrementar a importância do gás natural para o país. Ao final do trabalho são descritos cenários futuros (quanto o consumo de energéticos), onde se vê que o consumo de energia para os próximos anos crescerá a taxas superiores as das duas últimas décadas. Análise destes cenários permite antecipar o interesse de futuros investimentos no desenvolvimento do conhecimento geológico para áreas promissoras.

Evolução da produção, reservas e dos preços do petróleo, gás natural e biocombustíveis: a importância dos biocombustíveis no cenário mundial

Este trabalho tem como objetivo estudar a indústria do petróleo, gás natural e biocombustíveis no contexto brasileiro e no mundial. Visa também analisar as vantagens e desvantagens dos biocombustíveis e seu possível impacto na indústria do petróleo, assim como os principais indicativos e projeções da indústria do petróleo, como reserva, produção, preço e consumo, através de coleta de dados e geração de gráficos pesquisados e comparados de grandes agências e empresas de energia. Os biocombustíveis podem ser um grande aliado da indústria do petróleo tendo em vista a duração das reservas mundiais de hidrocarbonetos. O uso dos biocombustíveis implicará no desenvolvimento de tecnologias renováveis e de reutilização de materiais antes descartados, trazendo benefício a toda sociedade. A indústria do petróleo é impactada pelas flutuações no mercado internacional e pela demanda, assim como pela manipulação da produção de combustíveis fósseis pelos países produtores. Esses aspectos apresentados interligados criam uma complexa indústria que a presente dissertação se propõe a analisar.

Avaliação de Correlações e Equações de Estado para Determinação de Fatores de Compressibilidade de Gás Natural

O fator de compressibilidade (Z) de gás natural é utilizado em vários cálculos na engenharia de petróleo (avaliação de formações, perda de carga em tubulações, gradiente de pressão em poços de gás, cálculos de balanço de massa, medição de gás, compressão e processamento de gás). As fontes mais comuns de valores de Z são medições experimentais, caras e demoradas. Essa propriedade também é estimada por correlações empíricas, modelos baseados no princípio dos estados correspondentes ou equações de estado (EOS). Foram avaliadas as capacidades das EOS de Soave-Redlich-Kwong (SRK), Peng-Robinson (PR), Patel-Teja (PT), Patel-Teja-Valderrama (PTV), Schmidt-Wenzel (SW), Lawal-Lake-Silberberg (LLS) e AGA-8 para previsão desta propriedade em aproximadamente 2200 pontos de dados experimentais. Estes pontos foram divididos em quatro grupos: Grupo 1 (Presença de frações C7+, Grupo 2 (temperaturas inferiores a 258,15 K), Grupo 3 (pressões superiores a 10000 kPa) e Grupo 4 (pressões inferiores a 10000 kPa). Os cálculos utilizando as equações de estado sob diferentes esquemas de previsão de coeficientes binários de interação foram cuidadosamente investigados. Os resultados sugerem que a EOS AGA-8 apresenta os menores erros para pressões de até 70000 kPa. Entretanto, observou-se uma tendência de aumento nos desvios médios absolutos em função das concentrações de CO2 e H2S. As EOS PTV e a EOS SW são capazes de predizer o fator de compressibilidade (Z) com desvios médios absolutos entre os valores calculados e experimentais com precisão satisfatória para a maioria das aplicações, para uma variada faixa de temperatura e pressão. Este estudo também apresenta uma avaliação de 224 métodos de cálculo de Z onde foram utilizadas 8 correlações combinadas com 4 regras de mistura para estimativa de temperaturas e pressões pseudorreduzidas das amostras, junto com 7 métodos de caracterização das propriedades críticas da fração C7+, quando presente na composição do gás. Em função dos resultados são sugeridas, para diferentes tipos de sistemas, as melhores combinações de correlações com regras de mistura capazes de predizer fatores de compressibilidade (Z) com os menores erros absolutos médios relativos

Alternativas técnico produtivas para o aproveitamento do gás natural da camada pré-sal

As reservas brasileiras de petróleo e gás natural apresentarão um significativo crescimento a partir do desenvolvimento das reservas da camada do pré-sal. Segundo estimativas elaboradas pela EPE e pela EIA, nos próximos vinte anos, haverá um quadro de grande oferta de gás natural no país, com a oferta excedendo a demanda. Como o segmento de transporte do gás natural tem grande importância na formação do custo desse energético, uma tecnologia de transporte menos onerosa irá proporcionar um cenário mais vantajoso para a entrada do gás no mercado. A presente dissertação analisa duas tecnologias disponíveis para escoamento do gás natural da camada pré-sal gasoduto submarino e gás natural liquefeito embarcado e as possibilidades de utilização no mercado interno ou para ser exportado. De acordo com dados da Petrobras, foram utilizadas três rotas para escoar o gás do pré-sal. A metodologia Valor Presente Líquido (VPL) foi utilizada para analisar qual dos investimentos em transporte é mais viável economicamente. Os resultados mostraram que de acordo com as perspectivas de produção do gás natural no horizonte de tempo analisado as duas tecnologias serão viáveis, com o transporte por gasodutos a alternativa mais viável economicamente.

Perspectivas da utilização de gás natural no Brasil

A experiência do mundo desenvolvido mostra que o crescimento econômico de um país sempre requer uma grande disponibilidade de capacidade de produção própria de energia, a preços de mercado competitivos e atraentes. A estabilidade de relações comerciais, definidas por uma regulação transparente e objetiva, adiversidade de fontes supridoras e a existência de políticas de governo que incentivemo desenvolvimento sustentável do mercado consumidor são requisitos imprescindíveis à captação de novos investidores para o setor energético. Não obstante o incremento recente do percentual de gás natural na matriz energética nacional e a perspectiva mundial de aumento do uso deste combustível, alguns desafios ainda se interpõem ao efetivo crescimento da participação do gás natural no mercado energético nacional. Itens críticos para a expansão do uso do gás natural no Brasil, tais como a realização de grandes investimentos em infraestrutura de produção, transporte e distribuição, a exploração das principais reservas de hidrocarbonetos, a redução das incertezas com relação à evolução da demanda por gás no mercado industrial e termelétrico, aliados aos grandes desafios tecnológicos para produção do pré-sal brasileiro geram grandes riscos ao retorno de investimentos no setor, causando postergações ao desenvolvimento de novas áreas de produção e à expansão da demanda de gás. O objetivo deste trabalho é apresentar uma visão ampla do mercado brasileiro de gás natural, baseada emcenários possíveis e desafios futuros à expansão da utilização do gás no país, desenvolvidos a partir da análise de levantamento de dados de produção e consumo e do atual estágio da evolução da indústria gasífera brasileira. Este trabalho apresenta também um conjunto de proposições como objetivo de mitigar as dificuldades citadas e alavancar o desenvolvimento do mercado de gás no Brasi

Modelagem e simulação da formação de hidrocarbonetos na combustão do gás natural

A exaustão de um veículo de motor a diesel é uma importante fonte de poluentes atmosféricos, pois forma uma matriz complexa composta de poluentes regulados e não regulados pelos órgãos governamentais. Dentre os poluentes regulados podemos citar óxidos de nitrogênio (NOx) e material particulado. Os poluentes não regulados são pouco estudados até hoje e dentre estes encontra-se a classe dos hidrocarbonetos policíclicos aromáticos e seus derivados nitrados (nitro-HPA). Estes são encontrados na exaustão do diesel na forma gasosa ou agregados ao material particulado. Hoje, o interesse em estudos destes compostos vem aumentando, devido às suas atividades carcinogênicas e mutagênicas às quais estão sujeitas as populações dos centros urbanos. O impacto causado pelos nitro-HPA emitidos por motores a ciclo diesel ao ambiente não está ainda completamente estabelecido. Este estudo consiste na modelagem e simulação do processo de combustão de hidrocarbonetos na faixa de C1 a C4 com o objetivo de descrever a formação de compostos aromáticos, principalmente HPA, e óxidos de nitrogênio a partir de modelos cinéticos de combustão propostos na literatura como referência e fazendo uso do software de simulação Kintecus. Este projeto tem como objetivo em longo prazo propor um modelo cinético para combustão do óleo Diesel. Foi iniciada a construção de um modelo cinético de combustão a partir de modelos de hidrocarbonetos simples de C1 a C4, com formação de aromáticos, HPA e óxidos de nitrogênio. Os modelos originais foram avaliados e modificados a fim de estudar como parâmetros do modelo afetam a concentração das espécies de interesse. Foi observado a tendência de formação de benzeno e fulveno em baixas temperaturas e a tendência de formação de antraceno, pireno, fenantreno a temperaturas mais altas. Foi avaliado que a conversão NO-NO2 ocorre em maiores proporções em reações iniciadas a baixas temperaturas, 600 K. Os resultados indicam que propano é o maior responsável por esta conversão. O modelo final obtido resultou da união dos modelos de combustão Hori e Marinov mais inclusão do GRI-Mech 3.0 e reações adicionais de NOx retiradas da base de dados NIST

Otimização multi-objetivo de projetos de redes de transporte dutoviário de gás natural

Dutos de transmissão são tubulações especialmente desenvolvidas para transportar produtos diversos a longas distâncias e representam a forma mais segura e econômica de transporte para grandes quantidades de fluidos. Os dutos de gás natural, denominados gasodutos, são usados para transportar o gás desde os campos de produção até os centros consumidores, onde o gás é inserido em redes de distribuição para entrega aos consumidores finais. Os gasodutos de transporte apresentam diversas características de monopólio natural, que são o principal argumento econômico para sua regulação. A regulação visa garantir que esta atividade seja explorada de maneira eficiente, refletindo em tarifas de transporte justas para os consumidores e que proporcionem o retorno adequado aos investidores, levando-se em consideração a quantidade de gás transportado. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo propor metodologias de otimização multi-objetivo de projetos de redes de gasodutos de transporte, envolvendo métodos a posteriori. O problema de otimização formulado contempla restrições associadas ao escoamento do gás e o comportamento das estações de compressão. A solução do problema fornece um conjunto de projetos ótimos de redes de transporte em função da maximização da quantidade de gás natural transportado e da minimização da tarifa associada a esse serviço. A ferramenta foi aplicada a diversos estudos de caso com configurações típicas da indústria de transporte de gás natural. Os resultados mostraram que as metodologias propostas são capazes de fornecer subsídios que permitem ao tomador de decisão do ponto de vista regulatório realizar uma análise de trade-off entre a quantidade de gás transportado e a tarifa, buscando assim atender ao interesse da sociedade em relação à exploração do serviço de transporte