摘 要

摘　要：美國Ahronic公司開發(fā)的GTI Bi-fuel混合燃料技術(shù)通過在發(fā)動機(jī)空氣濾清器和渦輪增壓器之間安裝混合器，將天然氣引入發(fā)動機(jī)，實(shí)現(xiàn)了2種燃料(柴油／天然氣)在發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)同

摘　要：美國Ahronic公司開發(fā)的GTI Bi-fuel混合燃料技術(shù)通過在發(fā)動機(jī)空氣濾清器和渦輪增壓器之間安裝混合器，將天然氣引入發(fā)動機(jī)，實(shí)現(xiàn)了2種燃料(柴油／天然氣)在發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)同時燃燒。塔里木盆地具有豐富的天然氣資源，中國石油塔里木油田公司引進(jìn)GTI混合燃料技術(shù)用于深井石油鉆井是降低鉆井成本、保護(hù)環(huán)境的較好方式之一。為此，對國產(chǎn)2種動力機(jī)組進(jìn)行了改造，并試驗(yàn)研究混合燃料系統(tǒng)本身的操作性能，混合燃料運(yùn)行對機(jī)組的影響，考察其是否滿足鉆井工況的要求適用性。結(jié)果表明，只要柴油機(jī)組在全柴油狀態(tài)下能承擔(dān)鉆井作業(yè)要求，柴油機(jī)組在混合燃料狀態(tài)下同樣能完成。柴油替代率在30％～60％時，各種工況都能達(dá)到較好的機(jī)組性能和經(jīng)濟(jì)效益。GTI技術(shù)應(yīng)用2a時間，已經(jīng)在21個鉆井隊(duì)使用了天然氣935×10⁴m³，應(yīng)用井?dāng)?shù)40口。GTI技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，安全、可靠，推廣價值高。

關(guān)鍵詞：GTI混合燃料技術(shù)  深井鉆機(jī)  動力機(jī)組改造  適用性試驗(yàn)  現(xiàn)場應(yīng)用  節(jié)能減排  環(huán)境保護(hù)

Application of the Altronic GTI Bi-Fuel system to engine power supply for deep drilling rigs in Tarim oil／gas fields

Abstract：The Ahronic GTI Bi-Fuel system utilizes a fumigation gas delivery method whereby gas is delivered to the cvlinders via the standard engine air intake system and is then ignited by a diesel“pilot”which acts as an ignition source for the air-gas mixture and operates by blending diesel fuel and natural gas or propane in the combustion chamber．The introduction of the GTI Bi-Fuel svstem into deep well drilling enables the PetroChina Tarim Company to substantially reduce operating costs and lower emissions．Therefore,pilot tests were performed on the performance of the GTI Bi-Fuel system and its effect on the two doraestic engine units in order to determine if this Bi-Fuel System is capable of meeting the engine requirement in deep well drilling．Over the past two vears，the GTI Bi-Fuel system has been applied by 21 drilling crews in 40 wells with a total conSklmed natural gas of 9，350 thousand m³．The application resuhs demonstrate the perfect performance of the GTI Bi-Fuel system on the improveiTlent of engine efficiency；and the conversion to GTI Bi Fuel allows the engine to operate on natural gas mixtures of up to 30-60％of total fuel consumed．This case history proves that the GTI Bi-Fuel System is highly worth popularizing because of its economic benefit，safety and reliability．

Keywords：Ahronic GTI Bi-Fuel system，deep drilling rig，engine power．field application，energy saving and emission reduction，environmental protection,Tarim Basin

1　GTI混合燃料技術(shù)原理

GTI混合燃料技術(shù)是利用美國Altronic公司生產(chǎn)的GTI混合燃料系統(tǒng)對柴油機(jī)進(jìn)行改造的技術(shù)^[1]。經(jīng)GTI混合燃料技術(shù)改造的混合燃料發(fā)電機(jī)組，能夠同時燃燒柴油和天然氣。被改造的機(jī)組在啟動和怠速時按純柴油工作方式運(yùn)行，達(dá)到混燃條件后進(jìn)入混合燃料運(yùn)行模式。GTI混合燃料控制系統(tǒng)允許原柴油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，在恒定的負(fù)載下，由于額外吸入了天然氣，柴油機(jī)燃料超出需要，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速輕微增加，為了保持熱值平衡和設(shè)定的轉(zhuǎn)速，監(jiān)控器會迅速調(diào)節(jié)減少噴油量，從而實(shí)現(xiàn)天然氣對柴油的替代。反之，當(dāng)已達(dá)平衡狀態(tài)后天然氣供給減少時，柴油機(jī)監(jiān)控器會迅速實(shí)時動態(tài)地調(diào)節(jié)噴油量，建立新的燃油供給平衡，保持設(shè)定轉(zhuǎn)速，維持柴油機(jī)正常運(yùn)行。

1．1　系統(tǒng)組成

GTI混合燃料系統(tǒng)主要由3部分組成^[2-4]，即供氣閥組、傳感器組、控制柜(圖1)。

 

1．1．1供氣閥組

供氣閥組主要由過濾器、減壓閥、切斷閥和功率閥組成。

1．1．2傳感器組

用于檢測系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)。

1．1．3控制柜

用于監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，同時可以實(shí)現(xiàn)混合燃料模式切換、閉環(huán)自動控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

1．2　系統(tǒng)特點(diǎn)

GTI混合燃料系統(tǒng)對原有柴油機(jī)組的改動很小，同時易于安裝，保護(hù)系統(tǒng)與原柴油機(jī)保護(hù)系統(tǒng)完全獨(dú)立，系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可不間斷完全切換為l00％柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，保證機(jī)組正常工作。其機(jī)組在保持額定轉(zhuǎn)速和負(fù)荷時，柴油的替代率可達(dá)到70％。同時，天然氣運(yùn)轉(zhuǎn)可減少柴油機(jī)積碳，延長機(jī)組保養(yǎng)區(qū)間及機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)壽命，降低機(jī)組大修成本。

1．3　鉆機(jī)動力機(jī)組改造

天然氣經(jīng)過安裝在柴油機(jī)空氣過濾器和渦輪增壓器之間的混合器進(jìn)入氣缸參與燃燒，經(jīng)改造后的混合燃料發(fā)動機(jī)能維持柴油機(jī)相同的性能?；旌先剂习l(fā)動機(jī)可以在100％柴油模式和混合燃料模式之間自由切換，并且維持轉(zhuǎn)速和負(fù)荷不變。

1．3．1混合器

安裝在原柴油機(jī)的空濾和渦輪增壓器之間，空氣經(jīng)過混合器之后形成一個低壓擾動區(qū)。該低壓擾動區(qū)有利于空氣和天然氣的高度混合?；旌掀鹘Y(jié)構(gòu)及安裝位置如圖2所示。

 

1．3．2燃?xì)忾y組

由天然氣流量調(diào)節(jié)閥、緊急切斷閥、壓力凋肯器和過濾器組成(圖3)。過濾器用于濾除天然氣中的污染物以保護(hù)系統(tǒng)和柴油機(jī)；壓力調(diào)節(jié)器可以監(jiān)測柴油機(jī)負(fù)載增減引起的柴油機(jī)真空度變化，從而保持設(shè)定的天然氣進(jìn)氣壓力。緊急切斷閥內(nèi)部包含2個相互獨(dú)立的“常閉”狀態(tài)的閥門。天然氣流量調(diào)節(jié)閥用于控制給定負(fù)載時的天然氣流量，可用于設(shè)定天然氣／柴油替代率。

 

1．4　控制和監(jiān)控柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)

控制器根據(jù)各種傳感器監(jiān)測到的運(yùn)行參數(shù)和事先在控制器中設(shè)置好的參數(shù)工作范圍，判斷運(yùn)行參數(shù)是否超過設(shè)定值，進(jìn)而決定是否關(guān)閉混合燃料模式。當(dāng)控制器監(jiān)測到運(yùn)行參數(shù)超過設(shè)定值后會自動關(guān)閉混合燃料模式，使混合燃料柴油機(jī)轉(zhuǎn)換到l00％柴油模式下運(yùn)行。控制器監(jiān)測的主要參數(shù)包括排氣溫度、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、發(fā)動機(jī)真空度、氣缸振動、供氣壓力、壓力調(diào)節(jié)器出口壓力等，其中排氣溫度和振動最能體現(xiàn)混合燃料柴油機(jī)運(yùn)行性能的參數(shù)。

2　深井鉆機(jī)適用性試驗(yàn)研究

2．1　在CAT3512A機(jī)組上的應(yīng)用試驗(yàn)

1)試驗(yàn)內(nèi)容：混合燃料系統(tǒng)本身的操作性能^[5-7]；混合燃料運(yùn)行對機(jī)組的影響；混合燃料運(yùn)行是否滿足鉆井工況的要求；混合燃料運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)。

2)排溫和振動試驗(yàn)分析。試驗(yàn)功率為450kw，柴油機(jī)在柴油、混燃模式下運(yùn)行300min(替代率33.81％)，排溫和振動^[8-10]試驗(yàn)結(jié)果相差不大(圖4、5)。

 

 

3)提空游車適用性試驗(yàn)結(jié)果分析。試驗(yàn)井深4000m，單機(jī)功率從l00kW突加至230kW，發(fā)電機(jī)組在雙燃料模式下頻率波動0.2％，相對于柴油模式0.2％的頻率波動，無影響。起鉆試驗(yàn)單機(jī)功率從l00kW突加至430kW，發(fā)電機(jī)組在雙燃料模式下頻率波動1.53％，相對于柴油模式1.2％的頻率波動有所增加，但不影響鉆井工作，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

 

4)切換模式對比分析。分別在500kW、600kW和650kW 3種工況下，進(jìn)行天然氣切斷時的響應(yīng)測試，最大頻率偏差2.27％，小于國家標(biāo)準(zhǔn)5％。分別在500kW(替代率55％)、600kW(替代率60％)和650kW(替代率65％)工況下，GTI機(jī)組頻率增加均沒有超過l％。試驗(yàn)結(jié)果表2所示。

 

5)GTI技術(shù)在CAT3512A機(jī)組適用性試驗(yàn)結(jié)論。在鉆進(jìn)、起下鉆等工況下，進(jìn)行的120h試驗(yàn)和27d試運(yùn)行，柴油機(jī)在GTI模式運(yùn)行，排溫、振動等參數(shù)與柴油狀態(tài)相近，在安全范圍之內(nèi)。切換試驗(yàn)表明機(jī)組響應(yīng)快速，對鉆井作業(yè)基本沒有影響。試驗(yàn)條件下，替代率為57.64％，油氣當(dāng)量為1.16時，燃料費(fèi)用最低。

2．2　在CAT3512B機(jī)組上的應(yīng)用試驗(yàn)

在10口井的試驗(yàn)中，GTI混合燃料技術(shù)基本能滿足各個工況下鉆機(jī)對柴油機(jī)動力的需求，對突加負(fù)荷的滿足能力較強(qiáng)，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)超過設(shè)定的安全值，能立即平穩(wěn)地轉(zhuǎn)為純柴油模式，保證動力供給的連續(xù)性。起下鉆工況下，4號柴油機(jī)最低排溫511℃，最高排溫576℃，均在安全范圍內(nèi)。其排溫曲線和振動變化如圖6、7所示。

 

 

2．3　在濟(jì)柴190型機(jī)組上的應(yīng)用試驗(yàn)

鉆機(jī)在各種工況下主要參數(shù)均在安全值以內(nèi)(排氣溫度小于等于650℃，發(fā)動機(jī)出水溫度小于等于90℃。試驗(yàn)對比分析結(jié)果如表3所示。

 

適用性試驗(yàn)結(jié)論為：環(huán)境溫度較高時，發(fā)動機(jī)的排氣溫度和出水溫度均比純柴油的高，且出水溫度接近或超過報警值90℃；使用GTI的濟(jì)柴機(jī)組完全滿足正常鉆進(jìn)、提空游車、啟動鉆井泵、起下鉆等工況，司鉆操作方法與純柴油相同；GTI保護(hù)比較完善，在參數(shù)超過報警值時，會自動切換成純柴油模式。

3　深井鉆機(jī)動力機(jī)組的應(yīng)用

3．1　適用性應(yīng)用分析

3．1．1技術(shù)可行性

GTI混合燃料技術(shù)在CAT機(jī)組、濟(jì)柴190型機(jī)組上具有良好的可操作性，技術(shù)成熟，基本上能滿足在各種工況下鉆機(jī)對動力的需求，機(jī)組排溫、振動均在安全范圍以內(nèi)，具有良好的技術(shù)可行性。

3．1．2對動力機(jī)組的影響

柴油機(jī)組在混合燃料狀態(tài)運(yùn)行時，機(jī)組運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)與柴油機(jī)標(biāo)定參數(shù)相近，在啟動、關(guān)閉等過程，發(fā)動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，無異常。當(dāng)負(fù)荷過低時，機(jī)組混燃模式下的排溫略高于純柴油模式，但仍在安全范圍以內(nèi)，不對柴油機(jī)組的運(yùn)行造成影響。

3．1．3對鉆井工藝的影響

GTI混合燃料技術(shù)能夠滿足鉆井作業(yè)過程中大部分工況的要求，在低負(fù)荷時，柴油機(jī)排溫升高，此時可以將GTI混合燃料模式轉(zhuǎn)換到純柴油模式。

3．2　應(yīng)用規(guī)模

GTI混合燃料技術(shù)性能穩(wěn)定，安全性高，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。目前，GTI技術(shù)應(yīng)用21個鉆井隊(duì)，應(yīng)用井?dāng)?shù)40口，累計用氣量達(dá)935×10⁴m³。GTI混合燃料技術(shù)應(yīng)用情況如表4所示。

 

3．3　經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保分析

1)經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)現(xiàn)場適用性試驗(yàn)結(jié)果分析，綜合各工況特點(diǎn)使用1m³天然氣可以替代0.8L柴油^[11-13]；設(shè)天然氣4.75元／m³、柴油7.25元／L，每使用lm³天然氣可以節(jié)約人民幣1元。可有效降低鉆井成本。

2)環(huán)境保護(hù)。使用天然氣后能夠有效降低大氣污染物的排放量。根據(jù)當(dāng)前已經(jīng)使用的天然氣數(shù)量，減排情況如表5所示。

 

4　結(jié)論

1)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，GTI混合燃料技術(shù)在機(jī)組本身性能、鉆井工況的適應(yīng)性、安全性等方面均能滿足現(xiàn)場鉆井作業(yè)要求，完全能夠適用于深井鉆井，柴油替代率在30％～60％時，各種工況下都能達(dá)到較好的機(jī)組性能和經(jīng)濟(jì)效益。

2)使用過程中，中高負(fù)荷工況下，GTI混合燃料技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，能為井隊(duì)節(jié)約成本，其他工況時，井隊(duì)可以選擇停用混合燃料技術(shù)，改用純柴油模式，節(jié)約鉆井成本。

3)在同等負(fù)荷下，GTI混合燃料發(fā)動機(jī)的排煙明顯好于純柴油模式下發(fā)動機(jī)的排煙狀況，同時有效地減少大氣污染物的排放量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。該技術(shù)具有良好的推廣價值。

 

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本文作者：李循跡  龍平  熊繼有  宣培傳  侯秉仁

作者單位：中國石油塔里木油田公司

  “油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

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