何寶林，陳小偉，類淑菊

(中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300457)

柴油作為傳統(tǒng)能源，能量密度高，能夠為機械提供較強動力，因此已成為采礦工程機械主要動力來源。但是，柴油機的燃燒效率較低，為35%～40%，造成能源浪費。同時，有害物質(zhì)排放較多，造成較嚴(yán)重的環(huán)境污染[1-2]。隨著國家雙碳戰(zhàn)略強力推進，國家對采礦工程機械的排放要求也越來越嚴(yán)格。隨著技術(shù)的發(fā)展新能源動力必將成為未來工程行業(yè)的發(fā)展趨勢[3-6]。

海洋石油天然氣開采行業(yè)深知能源的重要性，對國家節(jié)能減排任務(wù)擔(dān)負(fù)更大的責(zé)任。但是，目前海洋石油天然氣開采所用的相當(dāng)一部分動力設(shè)備仍是污染較大的柴油能源，該情況與節(jié)能減排的趨勢形成鮮明的對比，呈現(xiàn)較大矛盾。早期服役的海洋石油平臺修井機大多數(shù)是柴油發(fā)動機驅(qū)動為主，隨著設(shè)備的更新?lián)Q代，雖有部分柴油發(fā)動機更換為電驅(qū)動發(fā)動機，但數(shù)量相對較少。目前，尚有相當(dāng)多數(shù)量的單純柴油發(fā)動機驅(qū)動修井機在進行鉆修井作業(yè)，這部分發(fā)動機對海洋石油開采行業(yè)節(jié)能減排造成較大阻礙[7]。以柴油發(fā)動機驅(qū)動的海洋石油平臺修井機數(shù)量較多，批量更換會對企業(yè)造成較大的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，短期內(nèi)不能夠?qū)崿F(xiàn)。為此，提出在原有柴油發(fā)動機基礎(chǔ)上進行天然氣雙燃料系統(tǒng)的升級改造，以滿足節(jié)能減排要求[8-13]。

1 雙燃料發(fā)動機改造原理

雙燃料系統(tǒng)指發(fā)動機在雙燃料或純柴油模式下均可工作的動力系統(tǒng)?？梢詫崿F(xiàn)發(fā)動機在雙燃料和純柴油模式下靈活切換，系統(tǒng)控制箱根據(jù)發(fā)動機工況來控制雙燃料模式是否介入。當(dāng)發(fā)動機啟動時，依靠柴油起動發(fā)動機。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高，渦輪增壓器介入時，增壓器前方壓力低于大氣壓，雙燃料系統(tǒng)各傳感器檢測發(fā)動機各參數(shù)，達到工作條件時，雙燃料混合器內(nèi)的天然氣被吸入增壓器，從而進入氣缸參與燃燒，替代一部分柴油。

雙燃料改造同時適用機械泵式柴油機和電控式柴油機，控制箱不會控制發(fā)動機的噴油系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，也不對發(fā)動機原有的調(diào)速進行干預(yù)，雙燃料改造不對發(fā)動機本身做改動。

雙燃料系統(tǒng)會將天然氣壓力做調(diào)壓處理，保持零壓，并且混合的比例做嚴(yán)格限制，不超過3%，低于天然氣自燃爆炸濃度，保證不會讓柴油機“飛車”和無法熄火，屬于完全被動式工作。柴油的噴入依然是由發(fā)動機的調(diào)速器來控制，所以發(fā)動機的輸出特性并不受影響，發(fā)動機不工作時，天然氣不會被吸入發(fā)動機。當(dāng)氣源短缺時，可以將系統(tǒng)控制箱上的開關(guān)按鈕關(guān)閉，即關(guān)閉雙燃料系統(tǒng)，讓發(fā)動機只在柴油模式下工作。工作原理如圖1所示。

圖1 雙燃料系統(tǒng)改造原理示意

2 雙燃料發(fā)動機系統(tǒng)改造技術(shù)分析

2.1 燃料供給系統(tǒng)改造方案

改造中并未對柴油機本體做任何更改，只是在空濾和增壓器之間加裝了天然氣混合器。改造重點是根據(jù)發(fā)動機實際工況，控制燃?xì)獗壤?。柴油發(fā)動機工作中，工況分為8種形式：啟動、停車、怠速、低負(fù)荷、高負(fù)荷、超負(fù)荷和正常航行，不同工況相應(yīng)的燃油及燃?xì)庹急炔煌?。雙燃料發(fā)動機需要在改裝過程中采用多點噴射技術(shù)及缸外直接噴氣方式，噴氣量與噴射時間由發(fā)動機自控系統(tǒng)根據(jù)不同運行工況進行適應(yīng)性調(diào)整。針對不同工況，中央自動控制系統(tǒng)可以對柴油和天然氣的供給量進行控制。天然氣控制流程：

1) 液化天然氣先經(jīng)過氣體加熱器及高壓汽化器轉(zhuǎn)變成氣體，汽化后的氣體被送到儲備氣體的緩沖罐。采用濾清器過濾天然氣中存在的細(xì)微雜質(zhì)，確保系統(tǒng)不會產(chǎn)生不安全問題。

2) 利用穩(wěn)壓器控制進入發(fā)動機的進氣壓力。

3) 使用低壓電磁閥控制燃料供給的切斷或恢復(fù)。

4) 使用電控調(diào)壓器控制天然氣的噴射量。

5) 通過混合器和電子節(jié)氣門控制雙燃料發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與功率。

2.2 電控系統(tǒng)改造方案

在雙燃料設(shè)備安裝好之后，首先關(guān)閉雙燃料模式，利用安裝的各個傳感器來測量在純柴油模式下發(fā)動機各個參數(shù)，包括天然氣供氣壓力、發(fā)動機進氣溫度、發(fā)動機進氣壓力、發(fā)動機排氣溫度、進氣溫度、進氣節(jié)流、發(fā)動機振動參數(shù)等。然后根據(jù)純柴油模式下的發(fā)動機參數(shù)，設(shè)置控制箱中雙燃料模式的控制參數(shù)，這些參數(shù)的設(shè)置和曲線范圍是根據(jù)不同發(fā)動機狀態(tài)來設(shè)定的，設(shè)置的原則是不能超出純柴油模式的參數(shù)范圍，所以雙燃料設(shè)備的安全性比較高，任何參數(shù)的工作數(shù)值都控制在一定范圍內(nèi)。

當(dāng)發(fā)動機在雙燃料模式下工作時，天然氣經(jīng)過調(diào)壓閥調(diào)壓，壓力達到6.894～34.70 kPa(1～5 psi)，這時控制柜發(fā)出指令給關(guān)斷閥，關(guān)斷閥打開，天然氣就吸入氣缸中，天然氣的流量是由功率閥來控制的，根據(jù)發(fā)動機工況的不同，功率閥需要調(diào)整不同的開度，實現(xiàn)調(diào)整燃?xì)馕肓康哪康摹?/p>

當(dāng)發(fā)動機負(fù)載發(fā)生變化時，增壓器的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，此時天然氣的流量會相應(yīng)的發(fā)生變化，通過流量計可以看到這個數(shù)值，同時各個傳感器實時感知各自的數(shù)值，所有傳感器的輸出值都會與設(shè)定的范圍來對比，一旦出現(xiàn)超出設(shè)定曲線范圍的工況，控制箱會向關(guān)斷閥發(fā)出指令，根據(jù)參數(shù)超出的范圍來停止天然氣的吸入，將發(fā)動機切換到柴油模式，這個過程無需人工參與，做到了全自動化。如果參數(shù)超出了控制范圍，根據(jù)延遲時間的長短，在檢測到發(fā)動機參數(shù)正常時，雙燃料模式會自動開啟，也可通過手動設(shè)置來實現(xiàn)雙燃料模式的開啟。

2.3 雙燃料系統(tǒng)改造技術(shù)特點

雙燃料改造技術(shù)主要是通過減少柴油的消耗來降低運行成本，主要特點是針對重載柴油發(fā)動機設(shè)計，適合“持續(xù)運轉(zhuǎn)”或“主供功率”工作方式，發(fā)動機本體不做任何改動，只在發(fā)動機的外圍加1套設(shè)備即可實現(xiàn)。由于不對發(fā)動機本體做改動，改造后保持原發(fā)動機輸出功率不變，改造成本低，改造時間短，對于中/小型發(fā)動機，2 d可完成雙燃料系統(tǒng)改造，停機時間少。

在燃?xì)夤?yīng)時，采用零壓供氣，而不是正壓強制注氣，因此不會產(chǎn)生燃?xì)庑孤?。系統(tǒng)只控制燃?xì)舛豢刂撇裼?，不會發(fā)生柴油噴入過多或過少而導(dǎo)致的發(fā)動機過熱和功率下降等事故。另外，具有較強的控制系統(tǒng)，可適應(yīng)不穩(wěn)定的燃?xì)夤?yīng)，可根據(jù)工況自動在柴油模式/雙燃料模式之間自行切換。

3 雙燃料系統(tǒng)性能分析

3.1 運行情況分析

由于系統(tǒng)改造并未對柴油機本體做任何更改，只是在空濾和增壓器之間加裝了天然氣混合器，這就如同發(fā)動機在含有微量天然氣的地下煤礦環(huán)境工作相似，雖然有微量的天然氣氣體進入氣缸，但是相關(guān)煤礦應(yīng)用的發(fā)動機出現(xiàn)故障，維修還是針對發(fā)動機進行。所以，改造系統(tǒng)，不會對發(fā)動機維修保養(yǎng)產(chǎn)生任何影響。在新疆塔里木油田改造多臺發(fā)動機(如圖2～3)，運行情況良好，發(fā)動機沒有因雙燃料系統(tǒng)出現(xiàn)過問題。雙燃料系統(tǒng)常見故障主要是傳感器、膜片等部件故障。在統(tǒng)計分析中得到，部件損壞主要原因為陸地油田裝備流動性比較大，在搬運過程中易對設(shè)備造成損壞。

圖2 卡特發(fā)動機現(xiàn)場改造圖

圖3 發(fā)動機改造部分設(shè)備安裝圖

3.2 雙燃料發(fā)動機污染物排放分析

經(jīng)過雙燃料改造后，由于天然氣為潔凈能源，發(fā)動機排放有害物質(zhì)減少。根據(jù)不同的發(fā)動機型號、發(fā)動機狀態(tài)以及天然氣的品質(zhì)，天然氣燃燒率也有所不同。對部分改造后的雙燃料發(fā)動機進行統(tǒng)計，改造后的各物質(zhì)排量減少情況如表1。

表1 柴油機雙燃料系統(tǒng)改造后排放參數(shù)

由表1知，NOx氮氧化物減少15%～30%，HC碳?xì)錅p少20%～80%；PM顆粒物減少20%～50%；OPACITY煙度減少30%～50%；Sox硫化物減少50%～70%。因此，改造后的發(fā)動機污染物排放量減少顯著，其中硫化物減少量大于50%。

3.3 經(jīng)濟效益分析

雙燃料改造技術(shù)主要是通過減少柴油的消耗來降低運行成本，雙燃料發(fā)動機在考核經(jīng)濟效益時，不以高替代率作為主要原則，即用氣越多越好。正確的算法是省下的柴油是用多少燃?xì)馓娲?，即雙燃料系統(tǒng)消耗的燃?xì)夂筒裼团c單燃料柴油相比，在完成相同工作任務(wù)下的總消耗的差值。

雙燃料發(fā)動機在控制系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化調(diào)整時盡量使用最少的燃?xì)馓娲疃嗟牟裼?，而替代率可以適當(dāng)降低，達到1個最佳值。在優(yōu)化參數(shù)時引入了1個氣油當(dāng)量的概念：使用多少立方的燃?xì)夂鸵虼藴p少了多少升柴油的比值稱之為氣油當(dāng)量。各種試驗證明雙燃料發(fā)動機的控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整，氣油當(dāng)量控制在1.1～1.2。在不同負(fù)載狀況下，調(diào)整參數(shù)的原則是：首先考慮氣油當(dāng)量是否合適，之后再考慮替代率的大小，在氣油當(dāng)量和替代率之間找到了1個平衡點。在這個點附近效益可以實現(xiàn)最大化。

改造后的雙燃料發(fā)動機如果在海上平臺使用，可直接利用開采得到的多余天然氣進行替代，經(jīng)濟性得到較大的提高。

4 結(jié)語

對既有的海洋修井機的柴油發(fā)動機實施油氣混合雙燃料系統(tǒng)技術(shù)改造，重點研究了雙動力發(fā)動機改造、電控系統(tǒng)改造、燃料加注系統(tǒng)等。分析了技術(shù)改造后的雙燃料發(fā)動機的性能，其環(huán)保性能和經(jīng)濟性有顯著提升。通過該方法可實現(xiàn)海上石油鉆采行業(yè)節(jié)能減排的目標(biāo)，同時可為雙燃料發(fā)動機的改造提供參考。

另外，通過對雙燃料系統(tǒng)改造分析可看出，海洋修井機的柴油機的雙燃料系統(tǒng)改造還存在一定的局限性。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，提出如下改造建議。

1) 考慮到鉆修井作業(yè)的連續(xù)工況要求，雙燃料系統(tǒng)改造首先應(yīng)針對小型的柴油發(fā)動機驅(qū)動的機械式海洋修井機，重點考慮能夠便捷供氣的氣田平臺，暫不涉及大型修井機和模塊鉆機。

2) 雙燃料系統(tǒng)改造，可結(jié)合老舊修井機延壽或者升級改造配合實施，除考慮節(jié)能減排的主要目的之外，要考慮作業(yè)成本，最終實現(xiàn)綜合效益最大化。