陳思

（中油國際貝尼管道公司）

0 引言

輸油主泵發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式根據(jù)燃料不同分為天然氣驅(qū)動(dòng)、柴油驅(qū)動(dòng)以及原油驅(qū)動(dòng)。原油發(fā)動(dòng)機(jī)是以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為原型的改進(jìn)機(jī)型，作為發(fā)電機(jī)的動(dòng)力源在海上平臺(tái)應(yīng)用較多［1］，但在原油長輸管道項(xiàng)目中的應(yīng)用較少。原油發(fā)動(dòng)機(jī)采購周期長、初始投資高、機(jī)體結(jié)構(gòu)以及配套設(shè)施較柴油發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜，探討其在原油長輸管道中應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性尤為必要。

1 原油發(fā)動(dòng)機(jī)在原油項(xiàng)目的應(yīng)用

原油發(fā)動(dòng)機(jī)在原油長輸管道項(xiàng)目的應(yīng)用相對(duì)較少。目前主要應(yīng)用項(xiàng)目有：西江油田采用Caterpillar（卡特彼勒公司）的 3616型原油發(fā)電機(jī)為兩個(gè)采油平臺(tái)及一個(gè)FPSO（浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置）供電；哥倫比亞回注水項(xiàng)目采用了Caterpillar4臺(tái)9CM32C和2臺(tái)8CM20C原油發(fā)電機(jī)組，機(jī)組最大功率為2.72 MW；厄瓜多爾重質(zhì)原油管道公司的4座熱泵站采用了22臺(tái)Wartsila（德國瓦錫蘭）原油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輸油主泵組成外輸泵機(jī)組；蘇丹原油輸送管道全線共設(shè)6座工藝泵站，泵站采用了原油發(fā)動(dòng)機(jī)。

原油發(fā)動(dòng)機(jī)在原油長輸管道項(xiàng)目中的應(yīng)用較少的原因有以下幾個(gè)方面：

（1）初始投資大

輸油主泵初始投資中原油發(fā)動(dòng)機(jī)占比較大，比電機(jī)投資高約3倍，比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高約2倍。

（2）工藝技術(shù)復(fù)雜

原油發(fā)動(dòng)機(jī)除了需配備原油處理系統(tǒng)外，還需配備潤滑油系統(tǒng)、燃料油系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、高低溫冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)。同時(shí)，原油發(fā)動(dòng)機(jī)備用系統(tǒng)需要原油、柴油兩路燃料油供給。每一路燃料油都要配備日用罐、給油泵、調(diào)節(jié)閥、排污、排污罐、過濾器、日用罐、旁通閥、循環(huán)管路等設(shè)備。按照“先柴后原”的啟動(dòng)要求，兩路燃料油供給系統(tǒng)還需保持絕對(duì)的獨(dú)立，確保兩種燃料油互不污染。

（3）對(duì)原油物性要求高

原油黏度高或者雜質(zhì)較多會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，燃燒產(chǎn)物的雜質(zhì)會(huì)腐蝕缸體，有些可能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成不可修復(fù)的損壞。原油物性限制了原油發(fā)動(dòng)機(jī)的適用性。因此，原油發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家對(duì)原油的黏度和雜質(zhì)含量有一定的限制范圍。

2 原油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)可行性分析

2.1 原油發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

原油發(fā)動(dòng)機(jī)同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理一致，通過高壓將燃料油霧化，燃料油燃燒將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，原油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器的噴射壓力較高，燃燒室內(nèi)溫度更高。原油發(fā)動(dòng)機(jī)還需配備渦輪增壓裝置以增加新鮮空氣量，促進(jìn)燃燒。

2.2 原油物性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的影響

原油是烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和烯烴等多種液態(tài)烴的混合物。主要成分是C和H兩種元素，分別占 83%～87%、11%～14%。原油黏度較大且含有少量的S、O、N和微量的Na、K、Mg、Fe、V等元素，其中黏度和 S、Na、V等雜質(zhì)含量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響較大［2］。

2.2.1 原油黏度的影響

當(dāng)原油黏度超過發(fā)動(dòng)機(jī)的額定極限時(shí)，燃料油難以霧化，燃燒不充分，降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，造成燃料油浪費(fèi)。其次，燃料油黏度過高，容易堵塞燃燒器噴嘴，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無法啟動(dòng)，停機(jī)維修會(huì)影響長輸管道的連續(xù)運(yùn)行。第三，原油黏度超標(biāo)還會(huì)影響潤滑油系統(tǒng)。高黏原油燃燒不充分，燃燒不完全產(chǎn)物會(huì)污染潤滑油，增加潤滑油黏度，降低潤滑效果；潤滑油置換不及時(shí)，會(huì)堵塞機(jī)濾，造成發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)壁的機(jī)械損傷；縮短潤滑油的置換周期導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高。

為保證原油發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，原油發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商都會(huì)限制原油黏度的極限值，入口黏度極限（50 ℃運(yùn)動(dòng)黏度）控制在300～700 mm2/s范圍內(nèi)。

2.2.2 原油雜質(zhì)的影響

原油雜質(zhì)（S、Na、V等）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響主要是腐蝕，按照形成機(jī)理可分為冷腐蝕和熱腐蝕。冷熱腐蝕是指在不同溫度下，不同雜質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物附著在氣缸內(nèi)對(duì)氣缸表面的腐蝕。其中，冷腐蝕為原油中的硫元素與氧在 130 ℃左右（氣缸表面溫度分布不均）產(chǎn)生硫氧化物，硫氧化物與燃燒中的水蒸氣聚集在氣缸表面造成表面損傷，并會(huì)隨著尾氣流動(dòng)，腐蝕渦輪殼體及排氣煙道。熱腐蝕指低熔點(diǎn)的金屬元素（Na、V等），在高溫工況下超過其熔點(diǎn)形成無機(jī)類沉淀物附著于氣缸表面，造成缸體表面的腐蝕。若直接使用長輸管道中的原油，其雜質(zhì)會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行造成影響，降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，增加潤滑油消耗，腐蝕氣缸，卡死發(fā)動(dòng)機(jī)。為了降低冷熱腐蝕的影響，原油發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)設(shè)置雙向冷卻水系統(tǒng)，將缸內(nèi)溫度穩(wěn)定在冷熱腐蝕不易發(fā)生的溫度區(qū)間。

通常泵站中配備原油處理系統(tǒng)或原油處理橇，通過升溫降低原油黏度并且通過水洗、離心過濾等方式洗去雜質(zhì)，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的入口條件，減少原油黏度和雜質(zhì)對(duì)原油發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。

2.3 原油發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)

原油發(fā)動(dòng)機(jī)是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)機(jī)型。為了適應(yīng)原油物性與柴油物性的不同，除了增加原油處理系統(tǒng)，原油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部原件也需進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

2.3.1 材料的改進(jìn)

原油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)溫度較高，且原油中的S、Na、V會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成腐蝕，發(fā)動(dòng)機(jī)部件應(yīng)采用抗腐蝕耐高溫材料。如在相關(guān)部件上增加陶瓷涂層以獲得更好的耐熱性，對(duì)于高溫部件設(shè)置獨(dú)立的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。

2.3.2 燃料油噴射系統(tǒng)的改進(jìn)

原油發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火方式相同,采用壓燃式。為滿足原油的芳香族化合物以及瀝青等燃燒性差的物質(zhì)充分燃燒，原油發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)提高點(diǎn)火溫度和噴油壓力?？刹捎脙杉?jí)噴射噴油點(diǎn)火，先由預(yù)噴油器噴射少量燃料油提高點(diǎn)火溫度，再啟動(dòng)主噴射器，提高重質(zhì)燃料油燃燒能力。還可以采用高壓噴油泵給燃燒室噴油，不需預(yù)噴油器點(diǎn)火提溫，高壓泵將原油增壓霧化后直接點(diǎn)燃。

2.3.3 潤滑油系統(tǒng)的改進(jìn)

原油不完全燃燒的產(chǎn)物會(huì)污染潤滑油，縮短潤滑油置換周期以及造成機(jī)濾堵塞。原油發(fā)動(dòng)機(jī)在原有的潤滑油循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)增加一路旁通離心式潤滑油分離器，凈化被污染潤滑油。離心式潤滑油分離器利用不同物質(zhì)密度不同、慣性力不同的原理，高速旋轉(zhuǎn)將潤滑油的雜質(zhì)過濾出來。西江油田利用潤滑油分離器，將潤滑油的置換周期延長了5倍［3］。

2.3.4 渦輪的改進(jìn)

為了使原油燃燒更加充分，原油發(fā)動(dòng)機(jī)配置渦輪增壓裝置增加新鮮空氣量。燃燒后的高溫尾氣帶動(dòng)渦輪，壓縮進(jìn)氣，為燃燒室?guī)砀渥愕目諝饬?。在線渦輪增壓器具有在線清洗功能，定期清洗附著在渦輪葉片上原油燃燒產(chǎn)生的雜質(zhì)，保證葉片的流動(dòng)特性，提高渦輪增壓裝置的性能。

3 原油發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 經(jīng)濟(jì)性比選方法

長輸原油管道泵站輸油主泵發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用柴油驅(qū)動(dòng)或原油驅(qū)動(dòng)。采用費(fèi)用現(xiàn)值比選法對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)選用的經(jīng)濟(jì)性比選。

費(fèi)用現(xiàn)值比較法是計(jì)算比選方案的全生命周期的總費(fèi)用現(xiàn)值并進(jìn)行對(duì)比，應(yīng)以費(fèi)用現(xiàn)值（PC）較低的方案為優(yōu)。費(fèi)用現(xiàn)值比選法計(jì)算公式如下：

式中：PC——費(fèi)用現(xiàn)值，×104元；I——投資，×104元；C'——年經(jīng)營成本費(fèi)用，×104元；Sv——計(jì)算期末回收的固定資產(chǎn)余值，×104元；W——計(jì)算期末回收的流動(dòng)資金，×104元；ic——設(shè)定的折現(xiàn)率，%； (P/F,ic,t)——現(xiàn)值系數(shù)；n——計(jì)算期，a。

3.2 經(jīng)濟(jì)性比選參數(shù)

以某原油長輸管道中間泵站為例，共4臺(tái)原油發(fā)動(dòng)機(jī)（3用 1備）。發(fā)動(dòng)機(jī)為渦輪增壓、8缸 V型、燃油直噴式四沖程內(nèi)燃機(jī)。增壓比為 12.1，單泵功率為1 800 kW。選擇同樣參數(shù)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選。

原油發(fā)動(dòng)機(jī)年動(dòng)力消耗量約60 653桶原油；柴油發(fā)動(dòng)機(jī)年動(dòng)力消耗量約8 294 t柴油。

基本經(jīng)濟(jì)參數(shù)為：

（1）計(jì)算期（n）31 a，其中建設(shè)期1 a，運(yùn)營期30 a；

（2）原油價(jià)格按照每桶60美元計(jì)；

（3）柴油價(jià)格階梯油價(jià)（按每桶原油60美元）為6 150元/t；

（4）電價(jià) 0.55元/kW·h；

（5）折現(xiàn)率（ic）10%；

（6）遵循費(fèi)用同口徑比選的原則，年經(jīng)營成本（C'）僅考慮泵組及配套工程范圍內(nèi)的費(fèi)用，包括維修費(fèi)、人工費(fèi)用以及動(dòng)力費(fèi)用；

（7）維修費(fèi)用按初始投資的2%計(jì)算；

（8）人員費(fèi)用按照每人20×104元/a計(jì)算；

（9）計(jì)算期末回收的固定資產(chǎn)余值在運(yùn)營期年全額折舊，故沒有余值；

（10）計(jì)算期末回收的流動(dòng)資金（W），不同驅(qū)動(dòng)方式的泵組所需的流動(dòng)資金不同，考慮到單一泵組所需的流動(dòng)資金不多，且長輸管道按30 a運(yùn)營期計(jì)算，期末折現(xiàn)系數(shù)極低，不予考慮。

3.3 經(jīng)濟(jì)性比選結(jié)果

依據(jù)技術(shù)參數(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同驅(qū)動(dòng)方式經(jīng)濟(jì)性分析表 單位：104元

從表中可以看出，對(duì)于長輸管道項(xiàng)目，原油發(fā)動(dòng)機(jī)雖然初投資高，但直接從管道取油，節(jié)省了配套儲(chǔ)罐，且運(yùn)營費(fèi)用低，31 a計(jì)算期費(fèi)用現(xiàn)值低。因此，長輸原油管道中間泵站采用原油發(fā)動(dòng)機(jī)有較好的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)束語

原油發(fā)動(dòng)機(jī)在原油長輸管道項(xiàng)目的應(yīng)用具有燃料油取材簡捷、燃料費(fèi)用低、運(yùn)營費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。原油發(fā)動(dòng)機(jī)本體及輔助系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)可以有效解決原油高黏及雜質(zhì)對(duì)原油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的不利影響，擴(kuò)大了原油的適用性，從而滿足原油發(fā)動(dòng)機(jī)長周期平穩(wěn)運(yùn)行、降低維護(hù)成本的要求。對(duì)于原油長輸管道項(xiàng)目，相比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，原油發(fā)動(dòng)機(jī)費(fèi)用現(xiàn)值低，值得在長輸管道項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。