環(huán)境溫度對CAT G3516LE型燃?xì)獍l(fā)動機功率影響的研究

＊屈青 劉佳明 趙佳琪

（1.長慶油田公司第四采氣廠 陜西 710000 2.長慶油田公司第三采油廠 寧夏 750000）

環(huán)境溫度對CAT G3516LE型燃?xì)獍l(fā)動機功率影響的研究

＊屈青1劉佳明2趙佳琪1

（1.長慶油田公司第四采氣廠 陜西 710000 2.長慶油田公司第三采油廠 寧夏 750000）

天然氣壓縮機組是集氣站天然氣增壓輸送的關(guān)鍵設(shè)備，而分體式壓縮機組的發(fā)動機作為其動力裝置，具有高輸出、低排放、高熱效的特點，是日常維護、維修的重點設(shè)備。本文主要針對第四采氣廠JGT/4-G3516LE型壓縮機組發(fā)動機在秋冬、冬春交替之際，經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)動機功率下降、轉(zhuǎn)速波動的現(xiàn)象進行分析，并結(jié)合現(xiàn)場實際運行情況，綜合解析導(dǎo)致發(fā)動機功率下降的原因及處置方法，進而提出了相應(yīng)的改進建議并得出結(jié)論。

蘇里格氣田；壓縮機；CAT G3516LE；發(fā)動機轉(zhuǎn)速

1.概述

JGT/4-G3516LE型往復(fù)壓縮機組的發(fā)動機由美國卡特彼勒公司生產(chǎn)，壓縮機由美國艾瑞爾公司制造，美國艾斯德倫公司成撬。設(shè)計進口壓力1．0MPa，排氣壓力3．5MPa，發(fā)動機轉(zhuǎn)速1500RPM，單臺機組排量為50×/d。目前該機組在我廠配備4臺，分別安裝于作業(yè)一區(qū)蘇6-7站、蘇36-1站及作業(yè)四區(qū)蘇54-1站。

卡特彼勒G3516LE型燃?xì)獍l(fā)動機為JGT/4-G3516LE往復(fù)式壓縮機組的配套動力設(shè)備，此發(fā)動機具有高輸出，低排放，高熱效的特點。該發(fā)動機采用稀薄燃燒的方式，發(fā)動機混合氣中的燃?xì)夂康停谑拱l(fā)動機燃?xì)庀拿黠@下降的同時，熱效率增加，并且燃燒溫度降低，進而NOx排放明顯減少，達到減排的目的。

原因分析

(1)G3516LE型發(fā)動機功率不穩(wěn)定的表現(xiàn)

G3516LE發(fā)動機輸出功率不穩(wěn)定的最直觀表現(xiàn)是轉(zhuǎn)速異常。若發(fā)動機功率下降，輸出轉(zhuǎn)速隨之下降，若輸出功率不穩(wěn)定，會伴隨著轉(zhuǎn)速的大范圍波動，同時發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)也會出現(xiàn)異常，下面將發(fā)動機功率輸出不穩(wěn)定的現(xiàn)場表現(xiàn)進行歸納：

①發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降/波動，出現(xiàn)“哮喘”現(xiàn)象

一般JGT/4-G3516LE型壓縮機組正常滿負(fù)荷工作的工況應(yīng)為：進氣壓力：1MPa；排氣壓力：2．5MPa-3．0MPa左右；轉(zhuǎn)速：1200-1300轉(zhuǎn)。若發(fā)動機轉(zhuǎn)速無法達到1200-1300轉(zhuǎn)，或轉(zhuǎn)速波動大于20轉(zhuǎn)，可以判定此時發(fā)動機輸出功率異常。

一般在發(fā)動機明顯轉(zhuǎn)速波動時，發(fā)動機渦輪增壓器部位會發(fā)生“哮喘”現(xiàn)象，此現(xiàn)象是發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動加大時最為常見的伴隨現(xiàn)象，也是最為直觀的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)表象。所謂“哮喘”現(xiàn)象實質(zhì)是發(fā)動機功率輸出不穩(wěn)，燃料系統(tǒng)需要的空氣量是不穩(wěn)定的，導(dǎo)致渦輪增壓器壓縮的空氣量也在變化，不是一個穩(wěn)定的值，這樣在轉(zhuǎn)速波動時，渦輪增壓器會把多余的空氣從空氣濾芯中排放出來，這樣就造成一種類似哮喘的現(xiàn)象。

②參數(shù)異常

針對不同操作人員的對發(fā)動機負(fù)荷及轉(zhuǎn)速波動判斷標(biāo)準(zhǔn)不同，還可通過發(fā)動機參數(shù)進行判斷。發(fā)動機組正常滿負(fù)荷工作的其參數(shù)應(yīng)為：Fuel Valve Cmd（燃?xì)忾y門支配比）：70%左右；IMAP（進氣歧管壓力）：180KPa左右；FCF(燃料氣修正因子)：100%左右；Throttle Cmd (油門開度)：50%左右。

FCF是發(fā)動機對自身運行工況調(diào)整的一種參數(shù)表征，正常工況下其值應(yīng)為100%左右，但是如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，發(fā)動機自身始終處于調(diào)節(jié)狀態(tài)下，其值就會在110%以上，經(jīng)常為120%～130%，IMAP值也會低于正常值。

(2)環(huán)境溫度對發(fā)動機功率影響的分析

由于G3516LE型發(fā)動機采用稀薄燃燒的方式進行燃燒做功。隨著缸內(nèi)平均有效制動壓力的增加，稀薄燃燒可控范圍逐漸減小，很容易造成爆燃和失火。正是由于這種燃燒方式，其控制比較困難，如果燃燒控制不合理，將會影響發(fā)動機功率輸出。

其縱坐標(biāo)Lambda為空氣/燃?xì)馄胶庵担?dāng)Lambda=1時，氧與易燃物處于合理的化學(xué)燃燒平衡。而Lambda值過低或過高，都會讓發(fā)動機燃燒處于失火狀態(tài)。G3516LE型發(fā)動機BMEP值為140～160之間，該發(fā)動Lambdad有效范圍為1．25至-7．5之間。

可燃混合氣中空氣質(zhì)量與燃料質(zhì)量之比稱為空燃比，空燃比A/F（A-Ari，F(xiàn)-fuel）表示空氣和燃料的混合比，A/F是發(fā)動機運轉(zhuǎn)的重要參數(shù)，它對發(fā)動機的動力性能有很大影響。

根據(jù)活動的A/F值等于Lambdad乘以特定的化學(xué)計算A/F比，可以計算出G3515LE型發(fā)動機可燃混合氣中空氣含量的波動范圍△。

△=7%

根據(jù)理想氣態(tài)方程pV=nRT及密度計算方程

可以得出：pM=ρRT(M為摩爾質(zhì)量)

那么，空氣密度與溫度成反比。

由于發(fā)動機可燃?xì)怏w空氣含量波動應(yīng)小于7%，則空氣密度及溫度變化波動也應(yīng)小于7%。

通過對蘇里格地區(qū)全年氣溫的全年統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)蘇里格地區(qū)平均氣溫為280K（6．8℃），6月-9月份平均氣溫在290K(16．8℃)，12月-2月份平均氣溫在260K（-13℃）。

假設(shè)在蘇里格平均溫度280K（6．8℃）下，對發(fā)動機進行調(diào)試，使其工況最優(yōu)，那么以蘇里格平均溫度為基準(zhǔn)夏計算，合理工況下溫度變化范圍應(yīng)為：

280K7%≤T≤280K7%得：260．4K≤T≤299．6K

即：-12．75℃≤T≤26．45℃

可以認(rèn)為在環(huán)境溫度280K（6．8℃）下，對發(fā)動機工況調(diào)節(jié)至最優(yōu)，其溫差適應(yīng)范圍為上升或下降19．65℃，超出這個變化范圍易發(fā)生失火現(xiàn)象，隨之發(fā)動機功率下降。

由此可以得出低溫環(huán)境下空氣密度越來越高，即空氣濃度會發(fā)生改變。由于一般無法對空氣密度進行測量，所以應(yīng)該記錄每一次調(diào)試發(fā)動機工況至最優(yōu)時的環(huán)境溫度，以此環(huán)境溫度為標(biāo)準(zhǔn)，變化范圍在7%以內(nèi)，機組都可以正常運行，氣溫變化范圍超過7%，則該機組的稀薄燃燒將可能超出的最大Lambda控制范圍，這將影響的發(fā)動機稀薄燃燒效率，使發(fā)動機運行處于紊亂狀態(tài)，發(fā)動機功率下降。

3.分析結(jié)果驗證及處置措施

由于不同氣溫，空氣密度不同，所以需調(diào)整燃料系統(tǒng)工況，以保證發(fā)動機的正常空氣進氣量正常。而發(fā)動機燃料系統(tǒng)可細(xì)分為燃料氣系統(tǒng)、空氣進氣排氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)三大系統(tǒng)，氣溫對燃料氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)均無影響，只對空氣進排氣系統(tǒng)有影響，故對空氣進排氣系統(tǒng)運行參數(shù)進行調(diào)整。

空氣進排氣系統(tǒng)中影響發(fā)動機空氣攝取量的部件為廢棄旁通閥。廢氣旁通閥位于排氣通道與渦輪增壓器之間，以控制廢氣通過渦輪增壓器的量來控制發(fā)動機空氣的進氣量，通過調(diào)節(jié)廢棄旁通閥可增大、減少空氣攝取量，由于冬季空氣密度高于其他季節(jié)，所以需要減少空氣攝取量，夏季反之。

現(xiàn)場需要9/16的加長套筒來松掉內(nèi)部的鎖緊螺母，再用1/4的加長套筒來調(diào)節(jié)內(nèi)部彈簧壓片的位置。由于目前發(fā)動機在春、秋、夏三季都能夠正常運行，因此機組原工況調(diào)整能夠滿足高氣溫運行，對于低氣溫運行環(huán)境下需順時針旋轉(zhuǎn)，減小廢氣進入渦輪增壓器的量，降低空氣吸入量。

調(diào)整廢棄旁通閥，機組參數(shù)Throttle Cmd值會相應(yīng)發(fā)生改變，壓縮機組滿負(fù)荷運行時Throttle Cmd值必須達到50%～60%左右，所以調(diào)整到Throttle Cmd值達到50%～60%時即可。

2014年低，該廠組織對蘇36-1站、蘇6-7站CAT G3516LE型發(fā)動機廢棄旁通閥進行調(diào)整后，機組再未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)、功率輸出降低的故障現(xiàn)象。

結(jié)論

通過對影響CAT G3516LE型發(fā)動機功率輸出的氣候原因的分析，得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)稀薄燃燒原理及Lambda相關(guān)計算公式，說明混合氣濃度對發(fā)動機功率的發(fā)揮會產(chǎn)生影響，混合氣濃度的受控變化范圍為7%，變化范圍超出7%，均會發(fā)生Rich Misfire及Lean Misfire 兩種失火現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動機功率下降。

(2)可以看出，環(huán)境氣溫與空氣密度成反比，空氣密度隨環(huán)境溫度的下降而逐漸升高，說明環(huán)境溫度的變化是造成CAT G3516LE在環(huán)境氣溫較低時頻繁出現(xiàn)功率下降、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)故障的主要原因。因此在環(huán)境溫度變化超出上次機組最優(yōu)空況調(diào)整時環(huán)境溫度的7%時，應(yīng)重新對發(fā)動機最優(yōu)空況進行調(diào)整，以滿足該型號發(fā)動機組正常運行。

(3)日常應(yīng)對每次發(fā)動機空況調(diào)試環(huán)境溫度進行記錄，并對環(huán)境溫度變化進行檢測，在環(huán)境溫度變化超出上次調(diào)試環(huán)境溫度7%時，應(yīng)主動對發(fā)動機渦輪增壓器進行調(diào)整，進而調(diào)整發(fā)動機的空氣進氣量。

調(diào)節(jié)方法為：使用9/16英寸的加長套筒松掉渦輪增壓器內(nèi)部的鎖緊螺母，再用1/4英寸的加長套筒來調(diào)節(jié)內(nèi)部彈簧壓片的位置。在環(huán)境溫度比標(biāo)定的氣溫低7%時，順時針旋轉(zhuǎn)彈簧壓片，以減小廢氣進入渦輪增壓器的量，從而減少空氣的吸入量；在環(huán)境溫度比標(biāo)定的氣溫高7%時，逆時針旋轉(zhuǎn)彈簧壓片，增大廢氣進入渦輪增壓器的量，從而增加空氣的吸入量。旋轉(zhuǎn)彈簧壓片幅度，應(yīng)參照發(fā)動機控制面板參數(shù)，通過調(diào)節(jié)，控制發(fā)動Throttle Cmd值穩(wěn)定在50%～60%左右較為合適。

(責(zé)任編輯：孔凡念)

Study of the Influence of Environment Temperature on CAT G3516LE Type of Gas Engine Power

Quqing1, Liu Jiaming2, Zhao Jiaqi1

（1.The No.4 Gas Production Plant, Changqing Oilfeld Company, Shanxi, 710000 2.The No.3 Gas Production Plant, Changqing Oilfeld Company, Ningxia, 750000）

Natural gas compressor unit is the key device for the pressurized transportation of natural gas in gas gathering station and the engine of split type of compressor unit, as the power device, has the features of high output, low discharging and high thermal effciency besides, it is the key device for daily maintenance and repairing. In this paper, it has taken analysis of the problems of engine power decrease and revolving speed fuctuation for JGT/4-G3516LE type of compressor unit engine of the No. 4 gas production plant in the seasonal alteration period of autumn and winter, winter and spring, besides, combing with the practical operation situation on-the-spot, it has taken comprehensive analysis of the reasons and disposal methods for engine power decrease, further more, it has put forward the corresponding improvement suggestion, fnally got the conclusion.

sulige gas feld；compressor；CAT G3516LE；engine speed1

TE < class="emphasis_bold"> 文獻標(biāo)識碼：A

A

屈青（1988～)，男，長慶油田公司第四采氣廠；研究方向：采氣工藝。