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第9 期 ． 4 3． 柴油与天然气发动机动力性能对比分析 方永春，曾志伟，许山明，李树新，王金成。李建华 西部钻探 克拉 玛依钻 井公司 ， 新疆 克拉玛依 8 3 4 0 0 9 [ 摘要]通过石油钻井用柴油机与天然气机所驱动工作机消耗的功率以及速度特性曲线分析两种动力的优劣，经过现场使 用检测数据与观察验证，实际与理论分析基本相符合。并根据现场使用燃气机组存在 问题，提出在使用过程 中需要解决和 注意的相关意见和建议 ，以确保满足钻井工艺要求的同时，实现节能减排，降本增效和低碳 、清洁化生产的目的 [ 关键词】石油钻井 ；柴油机 ；天然气机 ；动力性 能；对 比分析 天然气 是公认 的低成本 、清 洁型燃 料之一。 目前无论是在机动车用小功率天然气发动机还是 在 固定式大功率天然气发动机其推广应用都呈较 快速发展趋势 。现阶段天然气发动机点火方式采 用天然气空气预混合供气火花点火和天然气压缩 点火两种 ，但前者在发动机性能方面存 在功率密 度及热效率均较低 的问题，后者基本能达到与柴 油机相 同的性能指标 。为满足节能减排、清洁发 展 的要求 ， 目前石油钻井行业正在逐步试验使用 天然气机组 替代柴油机作为钻井动力 ，现场主要 使用预混合供气火花 点火 的发动机 。现对天然气 机 与柴油机启动性 能进行对 比分析 ，并通过钻井 实践验证存在的问题，提 出解决的措施及建议。 1 钻机动力负载类型及两类驱动特性分析 1 ． 1 机械钻机负载的类型和特性 机械钻机负载的类型和特性见表1 。 表1 钻机负载的类型和特性 序号 负载类型 负载大小 k W 负载特性 1 电器功率 2 6 0 ～3 2 0 相对平稳，5 5 k w 电机启动有波动 启动负载大，且随井深增加平稳增加，由于是往复三缸泵 ，负载大且一直处于 2 泥浆泵功率 3 0 0 ～ 6 7 5 小幅波动中 随钻压、地层特性和转头尺寸变化， 一直处于波动中。且较泵负载波动大， 3 转盘功率 9 0 ～ 2 1 0 但负载值 比泵负载小 4 提钻功率 1 o 0 ～6 7 5 随井深钻柱增加而增加，动载变化最大 1 ． 2柴油机和天然气发动机输出特 性 通过天 然气机 与柴油机 的特 性 曲线 图可 以得 出① 发动机扭 矩 和功率 中 ，扭矩决 定发动机 的 启动 、加速 、超载能 力 ，而功率 决定着最 高速度和载 重量 。②柴 油 机在 中低 速 的扭矩 大 ，扭矩 曲 线 比天然气 平稳 ，即加载能力 比 天然气机 强 。③经济 油耗不仅 与 转速有 关 ，也与 负载 率相关 ，在 额定 功率和额定转速 下 ，单位 功 率油耗最低 。天然气 供气方 式下 发动机运转范围比较见图1 。 瑚 御 蝴I 蝴1 靴1 脚o∞∞珊 鞲 建 f R 州 捶 罄 j 椭 1L． {l 0 I～ 莹 神 ～ 樱 牛 抖 手 工 0 j m i 上 一 妻 囊 ’ 二 鞲 霉 i } 圭 。 _ ’ l{i ／ i ⋯ 始辑* 斗 磕 q ， { { ； { { { } q i { b 固 土 0 上 ￡ 1 _j j 三 r ／ i l l m， 侧 I I l 1 ％ 荣f lIl 帆迪键特性 I _m 一 哦赫 ． a 鹤 ； 城琦 图l 天然气供气方式下发动机运转范围比较 作者简介方永春 1 9 6 6 一， 男， 湖北枣阳人，1 9 9 0 年毕业于江汉石油学院机械系石油 矿场机械专业，高级工程师。现任西部钻探克拉玛依钻井公司副总工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 。 4 4 ． ■ 技术交流 石油和化工设备 2 O 1 5 g第1 8 卷 2现场钻井实际负载工况和总装功率情况 2 ． 1 工程设计功率 工程设计功率见表2 。 表2 工程设计功率 开钻次序 井段 m 泵压M P a 排量L ／ s 泵功率k w 转盘功率k w 小计k W 提升功率k w 一 开 0 2 0 0 1 0 5 5 6 8 8 2 0 0 8 8 8 1 O 2 二开 2 0 0 - 1 1 0 0 1 3 2 8 4 5 5 1 5 0 6 0 5 2 7 6 二开 1 1 0 0 - 1 8 5 0 1 2 2 8 4 2 0 1 5 O 5 7 0 4 2 1 二开 1 8 5 0 - 2 5 3 0 l 4 2 6 4 5 5 l 5 O 6 0 5 5 5 2 二开 2 5 3 0 - 3 1 5 0 l 2 2 8 4 2 0 1 5 0 5 7 0 6 7 5 2 ． 2设备装备功率 设备装备功率见表3 。 表3 设备装备功率 序号 名称 型号 数量 单机 功率 双 台功率 三台功率 1 柴油机 Z 1 2 V 1 9 0 B - 1 3 8 l 0 1 6 2 0 2 4 3 0 2 天然气机 A l 2 V l 9 O P P Z L T 一 2 3 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 3 泥浆泵 F 一 1 3 0 0 2 9 5 6 1 9 1 2 4 转盘 Z P 5 2 0 1 2 5 7 5 自动压风机 2 V - 6 ． 5 ／ l 2 l 5 5 2 _ 3 发 电机功率和实际负载功率 发电机功率和实际负载功率见表4 。 表4 发电机功率和实际负载功率 序号 气候 实际用电负载功率 柴油发电机装配功率 柴油发电机负载率 天然气发电机装配功率 天然气发电机负载率 1 夏季 2 6 0 4 0 0 6 5 ％ 5 0 0 5 2 ％ 2 冬季 3 2 0 4 0 0 8 0 ％ 5 0 0 6 4 ％ 3 钻井施工过程使用动力性分析 3 ． 1 单机工况下两种动力机动力特性分析 由图1 可知 ，突载工况 下天然气机在低速加载 时较柴油机响应迟滞率约为2 0 ％～ 3 O ％，根据理论 数据 ，再配置使用一台8 1 0 k W柴油机和两 台1 0 0 0 k W天然气机 的Z J 3 2 J 钻机进行现场变载对 比试验验 证 。通 过提钻工况和和提升空游车做变载动测试 天然气机和柴油机相应时间及相关反应，试验在 动力机转速1 2 5 0 r ／ mi n 、井深8 5 0 m时，提钻和上 提空游 车转速再次恢复到原动力机转速 的时间见 表5 。 通过在Z J 3 2 J 钻机使用统一驱动S U Z J 3 O C Z 单 机泵单独驱动 的现场试验收集的数据及观测现象 证 明①在变载工况下 ，燃气机 响应恢复转速时 表5 转速恢复到原动力机转速的时间 机型 提钻 次数 秒数 空游车 燃气机 1 3 8 2 5 舍去值 燃气机 2 3 8 1 5 燃气机 3 3 6 8 ． 8 燃气机 4 3 7 1 1 燃气机 平均1 3 7 ． 2 5 l 1 ． 6 燃油机 l 3 3 小于5 燃油机 2 3 3 燃油机 3 3 1 燃油机 4 3 2 燃油机 平均2 3 2 ． 2 5 5 差值 平均 卜平均2 5 6 ． 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第9 期 方永春等 柴油与天然气发动机动力性能对比分析 ．． 4 5．． 间 比柴 油机慢5 S 左右 。②通过 现场 发现 ，天然 气机在接近满 载工况 下变载 时，会发生燃气机爆 燃 ， 出现 剧烈 的 “ 放炮 声 ”。③ 在 使用 单机 泵 时，如泵压 上1 4 MP a 后即接近满负荷时，瞬时加 载驱动单机泵 时燃气机 比同样工况驱动单机泵 的 柴油机 从动力机 的声音到排烟都 明显 “ 费劲 ”。 这再次证 明，燃气机在低速加载和接近满功率负 荷突变时，天然气机存在迟滞 问题 ，也说 明天然 气机实际标称功率会 比柴油机小2 0 ％～ 3 0 ％是准确 的 。同时通过 天然气机与柴油机 的压缩 比、充气 系数及 两种燃料的十六烷值 也从另一个侧面验证 结果的正确性 。当现场使用过程 中负载相对平稳 时，则这两种燃料的动力机差别基本不大 。 通过 以上分析可 以得 出结论 在载荷突变时 1 0 0 0 k W燃气机 的输 出功率减损2 0 ％～ 3 0 ％左右，即 实际输 出功率约为7 0 0 ～ 8 0 0 k W ，即在钻井施工 中 载荷迅速变化，1 0 0 0 k W天然气机瞬时输出功率小 于8 l 0 k W的柴油机，在相对稳定的工况下，1 0 0 0 k W燃气机能够输 出1 0 0 0 k W。这从另一角度验证 了柴油机输 出特性较燃气机 “ 硬 ”的事实。 3 ． 2单机工况使用意见和建议 为进一步使用好天然气机 ，规避前期试验使 用 中出现的 问题 ， 以满 足钻井施工工艺要求 ，在 单机工况下使 用燃气机及配置 意见和建议如下 ① 在提钻、上提 空游车或挂泵等有 突增负载时 ， 操作时应快速挂和离合器气 门三 次，以减缓 负载 突变程度对燃气机反应迟滞影 响，达到相对改善 燃气机变 载时 的适应 性 。②将 燃气机放 在2 号或 3 号车位 ，通 过并车 皮带 “ 打滑 ”和传递 效率损 失，相对减少 负载对燃气机 的 “ 硬 ”冲击 ，避免 1 号车位链 条的 “ 硬 ”传 动加载 。同时若2 号或3 号燃气机 有 问题 ，1 号位 的燃油 机硬特性 ，能更 好 地适应 现场钻机传动配置要求 。③燃气机输 出 端配套使用耦合 器或变矩器 ，起到相对 降低负载 对 燃 气机 的冲 击 ，改善 加载 特 性 。④ 如使 用单 独 驱动的单机泵 驱动方式 ，将 1 0 0 0 k w的燃气机 升级到1 2 0 0 k W ，即使在负载突变时 ，功 率减损 2 0 ％～ 3 O ％，也能实际输出8 4 0 ～ 9 6 0 k W，解决全工 况超 过燃油机 ，实现和泥浆泵功率更好匹配 ，满 足三缸泥浆泵逐步平稳增长波动性负载需求。 3 ． 3并车工况两种动力机输出特性分析 在并机使用时 ，如使用车载钻机从事钻井施 工的3 0 6 3 2 队 ，在使用 一台天然气机单机泵 和一 台柴 油机驱动单机泵 时出现过离合器 “ 打滑 ”现 象 。这是因为燃气机和调试 差异性造成 的，柴油 机为机械调速 ，天然气机是 电子调速 ，由于两者 调速特性存在差异 ，在负载突变 的加速阶段 ，反 应速度快的动力机在带动 负载的同时 ，拖动反应 慢 的燃 气机 动力机相 当于变成 负载 ，3 ～ 5 S 后 ，燃 气机 调速 特性 恢复 ，两 种 动力机 转 速一 致，共同作为动力机拖动负载。 3 ． 4并车工况使用意见和建议 在 正 常钻 进 时 ， 由表 2 数 据 得 出 ① 一 开 时 ，转盘2 0 0 k W、泥浆泵6 8 8 k W、 自动压风机5 5 k W ，合计9 4 3 k W 。实际为 了达N5 5 L ／ s ，必须开 双泵才能满足工况 ，实际需求会超过1 0 0 0 k W，此 时需要2 台发动机并车，总功率达到1 6 2 0 k W，负 载率6 2 ％，在新机状态 ，可满足工况 。如果使用 的是大修机 ，为保证发动机综 合寿命 ，应启动 并 上第三台车。②二开时，转盘 1 5 0 k W、泥浆泵4 5 5 k W、 自动压风机5 5 k W，合计6 6 0 k W 。为达到实 际2 8 L ／ s ，可单泵作业就能满足工况 。若是新机， 理论上燃油和燃气机单 台设备都可满 足工况 ，如 果使用 的动力机为大修机 ，必须启动并上第 二台 车 ，但绝不应并第三台车 。③提钻工况 由表2 看 出，3 1 5 0 r n 的钻具 ，理论 上最大提升功率在6 7 5 k W ，理 论上单机 8 1 0 k W就可满足工况 ，但 由于 动载过大 ，又是多次大修机和非标定工况使用 ， 燃油和燃气都存在加载提速困难 ，燃气机更为 明 显 ，所以常开动2 台设备。④单机泵组工况 单机 泵组时 ，机房只负责转盘和提下钻 工况 。最大泵 功率出现在一开时，泵压 1 0 MP a 、排量5 5 L ／ s ，泵 的输入功率6 8 8 k W ，由于燃 气机启动加速特性 比 柴油机 “ 软”，会出现1 0 0 0 k W燃气机上不去的工 况，二开泵压 1 2 - 1 4 MP a 、排量2 6 ～ 2 8 L ／ s ，泵的输 入功率4 2 0 ～ 4 5 0 k W，负载率不足5 0 ％，经济性有 待讨论 。⑤经济油耗或功率匹配负载率问题 当 动力机负载率在7 5 ％以上时 ，在额定转速下每千瓦 时油耗最低 ，并不是只有额定转速油耗 最低 ，这 通过厂家 的实测数据也可验证 。所 以尽量使单机 在7 5 ％ 9 0 ％的负载率工作，超过8 5 ％～ 9 0 ％时再考 虑并车工况 。同理 ，在2 台设备超过8 5 ％～ 9 0 ％时， 考虑第3 台设备并车 。多次大修机可酌情考虑。 3 ． 5动力机配套优化意见及建议 在设 备 配置 上搞 好 优化 组 合 是有 效 、高 效 用好燃气机 ，实现节能减排的有效途径。为此 建 议 ①若钻机配套使用2 台燃气机 、1 台燃油机 ， 在配置 上 ，1 号车放置 燃油机 ，2 号、3 号放置燃 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ． 6 ． ● 技术交流 石 油 和 化 工 设 备 2 01 5 年 第1 8 卷 气机 ，通过并车皮带 “ 柔性 ”传递和传 递效率损 失 ，相对缓解负载的硬冲击 ，改善燃气机的加速 特 性 。在操作 并 车时 ，快速 挂和 离合 器气 门三 次 ，以减缓负载突变程度 ，会相对改善燃气机变 载 时 的适应 性 。② 在燃 气机 输 出轴端 加装 耦合 器 ，将负载硬特性通过耦合器变成 “ 软特性”， 以适应燃气机 工作特性 。⑧ 由于燃气机和燃油机 调速 属性 不 同 ，虽然可 以通 过耦 合器 实现 “ 柔 性 ”并车，但 并车动力机在负载波动状 况下，一 直会处于 “ 异步 ”并车 的状况 ，致使耦合器或变 矩器工况恶劣 ，温度升高，早期损坏 。因此燃油 机和燃气机在正常工况下，一般禁止并车使用 ， 但在应急状态下 ，可 以短时间并车使用 。④为解 决单机满载工况时变载对天然气机影响，将单台 1 0 0 0 k W的燃气机升级到1 2 0 0 k W，以满足天然气 机在满载负荷 突变 ，功率减损2 0 ％～ 3 0 ％时，也能 实际输 出8 4 0 ～ 9 6 0 k W，满足正常钻井施工需要 。 ⑤在正常钻井施 工中，如使用单机或双机 ，负载 率没有超过8 5 ％～ 9 0 ％时，一般情况 下不需并车 。 ⑥最佳匹配工况是3 台1 2 0 0 k W燃气机加装耦合器 以及2 0 0 ～ 3 0 0 k W节能发 电机和链条并车传动用于 钻台动力，减少皮带并车的效率损失。 4结论及建议 石油钻机使用天然气发动机作为动力是顺应 节能减排、低碳生产 的发展要求，从技术上分析 是可行 的，现场工业试验是成功的。 目前存在 的 主要 问题是使用、管理标准和制度缺乏针对性、 适用性 、有效性 。问题 的原 因是试验使用天然气 机 作 为钻井 动力 是新 生事物 ，有 些标 准和 管 理 规章制度 需根据钻井现场 实际不断修 订和完善。 要根据钻井现场实际建立健全使用、维护、管理 标准及规范制度 ，同时加强对操作 、使用、管理 人员使用天然气机方面的培训 ，为进一步推广应 用天然气发动机作为钻井动力机组 ，实现节能减 排、降本增效和低碳生产 、清洁生产夯实基础 ， 提供技术支撑和保障。 ◆参考文献 [ 1 ]天工 ． 钻 井用天然 气发动 机研制成 功[ J ] ． 天然 气工业 ， 2 0 1 0 ，3 0 3 5 1 ． [ 2 ] 韩祥鹏，张宏博，颜慧，等． 钻井用柴油／ 天然气双燃料发 动机研究[ J ] _ 内燃机与动力装置，2 0 1 1 ，2 8 1 1 7 ． 2 0 ． [ 3 ] 王瑞丽，张浩，宋建锋 ，等 ． 钻井用气体发动机配套方案 的现场应用研究[ J ] ． 内燃机与动力装置，2 0 1 3 ，3 0 5 9 - 1 2 ． 石油和化工设备 列入国家新闻出版广电总局 第一批认定学术期刊名单 2 0 1 4 年1 2 月9日，国家新 闻出版广 电总局正式公布第一批认定学术期刊名单 ，其 中 石油和化工设 备列1 2 1 7 排名不分先后。 此前，为严格学术期刊 出版资质，优化学术期刊 出版环境 ，促进学术期刊健康发展 ，新闻出版广 电 总局于2 0 1 4 年4 月先后发布 关于规范学术期刊出版秩序 促进学术期刊健康发展的通知 关于开展学术 期刊认定及清理工作的通知，经各省、区、市新闻出版广 电局、中央期刊主管单位初审上报 ，新闻出 版广 电总局组织有关专家严格审定，确定了第一批认定学术期刊名单，总局于2 0 1 4 年 1 1 月1 8 日至2 4 日进 行了公示 共5 7 5 6 种，最后于2 0 1 4 年1 2 月9 日公布正式名单 共5 7 3 7 种 。 本刊编辑部 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m