鉆井平臺用天然氣發(fā)動機的設計開發(fā)

孫成香，李全武，鄭圣彬，孫樂美，李治朋

（中國石油集團 濟柴動力總廠，山東濟南250306）

由于全球油氣需求旺盛和原油價格持續(xù)走高，鉆井動力的需求持續(xù)增加。而現(xiàn)有平臺使用的發(fā)動機均為進口柴油機和雙燃料發(fā)動機，目前大部分已進入老化期；鉆井平臺用天然氣發(fā)動機的研制將可以替代進口發(fā)動機，充分利用鉆井產生的油田伴生氣，為鉆井平臺區(qū)域提供性能先進、質量可靠的發(fā)電設備。

1 天然氣發(fā)動機主要技術參數(shù)

鉆井平臺用天然氣發(fā)動機的主要技術參數(shù)見表1。

表1 天然氣發(fā)動機主要技術參數(shù)

2 總體設計

鉆井平臺用天然氣發(fā)動機的研制開發(fā)是借助我公司多年研制氣體發(fā)動機的成功經驗，在消化吸收國外先進技術基礎上，自主開發(fā)的一種適用于低壓燃氣、高智能化、熱耗低、可靠性好、低排放、長壽命的天然氣發(fā)動機。

為了滿足中國船級社CCS的認證要求，鉆井平臺用天然氣發(fā)動機在設計過程中，有針對性地對重要零部件進行了重新計算與設計。

鉆井平臺用天然氣發(fā)動機的三維模型設計如圖1所示。

圖1 鉆井平臺用天然氣發(fā)動機三維圖

3 主要系統(tǒng)設計

3.1 增壓進氣系統(tǒng)

采用先進的高壓比、大流量高效增壓器，加大進氣管道流通面積，提高進氣效率。

發(fā)動機的增壓進氣系統(tǒng)采用了壓氣前混合方式，空氣和燃氣都是被壓氣機吸入的。控制系統(tǒng)通過各種傳感器監(jiān)測發(fā)動機的參數(shù)（如發(fā)動機的轉速、壓力、溫度、功率等），計算出所需要的燃氣流量，并通過CAN通訊口把燃氣流量命令傳送到燃氣流量控制閥，燃氣流量控制閥根據(jù)燃氣流量命令控制其閥門的開度，從而保證了燃氣與空氣按需要的比例混合。混合后的混合氣通過增壓器壓氣機作用，使其壓力升高，經進氣彎管送至高效中冷器，使混合氣溫度降低，密度增大，同時抑制爆振傾向，再送至機體內進氣腔通過進氣管道分別達到各氣缸內。

3.2 天然氣供給系統(tǒng)

根據(jù)油田伴生氣的特點及工作環(huán)境，優(yōu)化了燃氣供給系統(tǒng)，保證了發(fā)動機優(yōu)良的動力性。燃氣供給系統(tǒng)具有過濾、減壓、緊急切斷及安全阻火等功能。

3.3 控制系統(tǒng)

氣體發(fā)動機平均有效壓力越高，其安全可靠運行的空燃比范圍越窄，鉆井平臺用天然氣發(fā)動機的控制系統(tǒng)采用空燃比閉環(huán)控制技術對空燃比進行精確控制，達到高空燃比，從而實現(xiàn)稀薄燃燒。因此保證了發(fā)動機運行點遠離了爆振區(qū)和失火區(qū)，而且降低了發(fā)動機的排溫及排放中的NOx的含量，使發(fā)動機達到高的排放性能。

3.4 點火系統(tǒng)

對于增壓稀燃的燃氣發(fā)動機，要想在可燃范圍內點燃稀薄的天然氣－空氣混合氣，就要相應提高點火能量。如果點火能量不足，會導致發(fā)動機后燃現(xiàn)象嚴重，出現(xiàn)放炮、排溫過高等現(xiàn)象。采用帶預燃室的火花塞，電火花先點燃預燃室內氣體產生火焰，火焰從預燃室噴出點燃氣缸體內混合氣，使發(fā)動機各氣缸燃燒更加穩(wěn)定，均勻。燃料燃燒更加充分，能有效提高發(fā)動機的熱效率。

3.5 儀表監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)使用環(huán)境及用戶要求，專門為鉆井平臺用天然氣發(fā)動機開發(fā)了新的儀表監(jiān)控系統(tǒng)，除了在機旁顯示發(fā)動機的各監(jiān)控參數(shù)外，還具有數(shù)據(jù)遠傳報警功能。通過數(shù)據(jù)遠傳把發(fā)動機的主要參數(shù)通過通訊接口上傳至中央監(jiān)控室，用戶可以隨時監(jiān)控發(fā)動機的工作情況。

3.6 啟動系統(tǒng)

發(fā)動機采用壓縮空氣馬達起動，為滿足自動化機組的要求，啟動系統(tǒng)設計滿足啟動前先供油后啟動以及停機后預供油保護功能。

4 天然氣發(fā)動機的主要結構設計

4.1 機體

機體結構進行強化設計，采用高強度鑄鐵整體鑄成，增加龍門高度，提高機體的抗彎曲能力，兩側采用橫拉螺栓，將主軸承蓋牢固地與機體結合在一起，使機體整體強度、剛度加強，滿足設計要求。

4.2 曲軸

曲軸采用優(yōu)質合金鋼鍛造而成，通過對平衡重精確的計算和采用三維設計，保證曲軸的平衡性；為保證其可靠性，還進行了曲軸疲勞強度計算、船規(guī)計算和扭振計算，計算結果表明曲軸滿足發(fā)動機的設計要求。

4.3 活塞

為適應天然氣發(fā)動機的燃燒特點，綜合考慮抗爆振性和經濟性，設計了專用活塞，最終通過試驗確定發(fā)動機壓縮比。活塞在設計過程中采用了高耐磨性活塞環(huán)結構，提高耐熱性和機械負荷性能，從而提高活塞的使用壽命。

4.4 凸輪軸

凸輪軸為分段式結構，由左側凸輪軸分部件和右側凸輪軸分部件兩部分組成，每側凸輪軸由前、后兩段組成，通過法蘭將其連成整根凸輪軸，分別安裝在機體兩側的座孔內，維修保養(yǎng)非常方便。凸輪軸上按一定方位順序排列的各凸輪，進排氣凸輪驅動著滾輪挺柱在挺柱座內上下運動，經挺桿及氣缸蓋上的氣門搖臂和搖臂橫橋，定時地控制著兩個同名氣門的開閉。

5 臺架性能試驗

2009年我公司嚴格按照相應國家標準、企業(yè)標準以及中國船級社CCS的認證要求，對發(fā)動機進行了型式試驗及耐久試驗，在試驗過程中，發(fā)動機運轉穩(wěn)定，工作可靠，各項指標均達到或優(yōu)于設計 要求和有關標準的規(guī)定值，并通過了中國船級社CCS認證。發(fā)動機的負荷特性曲線如圖2所示。

圖2 天然氣發(fā)動機負荷特性曲線

6 結束語

鉆井平臺用天然氣發(fā)動機研制成功，填補了國產天然氣發(fā)動機在鉆井平臺應用零的突破，可配套成發(fā)電機組、壓縮機組、變矩器機組或其他動力輸出，滿足不同用戶的需求。

鉆井平臺用天然氣發(fā)動機對鉆井平臺環(huán)境具有良好的適用性，滿足平臺的使用要求。已配套成燃氣發(fā)電機組成功應用于中海油采油平臺。