卡特彼勒G3600系列發動機爆震問題應對

劉汝鑫，張永潔，張文琦

（1.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古 鄂爾多斯 017300；2.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西 榆林 719000）

卡特彼勒G3600系列發動機爆震問題應對

劉汝鑫1，張永潔2，張文琦1

（1.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古 鄂爾多斯 017300；2.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西 榆林 719000）

蘇里格氣田采用井間串接、中低壓集氣、增壓外輸的地面集輸工藝。在該模式中，處理廠的天然氣壓縮機組，其運行狀態直接關系到氣田外輸供氣能力。為提高設備運行效率，降低日常生產中最常見的爆震故障發生率，通過全面分析故障原因，制定了具有針對性的行之有效的應對措施，并取得了一定效果。

天然氣壓縮機組；發動機；燃燒；爆震；空燃比

天然氣壓縮機組是天然氣處理廠日常生產運行中的關鍵設備，其運行穩定與否直接關系到天然氣生產任務的順利完成。然而機組運行中頻發的故障大大影響了機組的運行效率，其中爆震故障占全年故障總量的50%左右，且尤以冬季生產高峰期間多發，極大地危害了機組安全運行，影響天然氣生產效率，增加了維修維護工作量及成本投入。

1 爆震的危害

爆震會造成發動機動力下降、油耗增加、噪音加大、排放惡化，嚴重的可引起氣缸壁、活塞、活塞環、氣門、連桿及連桿瓦等運動件發生變形損壞，增大運行及維護成本。

2 卡特彼勒G3600系列發動機爆震控制策略

發動機每兩個相鄰氣缸間設置一個爆震傳感器，利用加速度傳感器來測量發動機的加速度變化即震動值，對發動機的過度爆震進行監控。其采集氣缸的震動數據并傳送至ECM進行處理以確定爆震等級。若爆震傳感器偵測到的氣缸震動量超過ECM中的震動設定值，則ECM判定發動機爆震，隨即延遲點火正時（點火提前角），若正時延遲無法抑制爆震到可接受的范圍內，ECM會發出指令關閉發動機。

3 可能導致爆震故障的原因

3.1 發動機負荷過高

發動機超負荷運行會大大增加機組的爆震傾向，日常運行時需確保發動機負荷在合理范圍內（80%～100%）。處理廠天然氣壓縮機組常年在85%～98%的負荷區間運行，不存在超負荷運行導致機組爆震傾向增大的可能。

3.2 爆震傳感器故障

爆震傳感器本身或相關電路的故障可能導致系統發出誤報警。處理廠對系統接線進行了檢查，確認爆震傳感器本身及其接線完好無故障，排除傳感器故障導致爆震頻發的可能性。

3.3 氣缸積碳

發動機潤滑油加注過量會導致氣缸積碳。排除故障時應檢查是否存在以下情況：（1）在閥座上的堆積物；（2）在閥面上的堆積物；（3）在氣缸內壁上的堆積物超過活塞活動的上限；（4）內部滲漏跡象。

處理廠通過故障統計并利用更換缸頭的機會對氣缸積碳情況進行了檢查，未發現嚴重積碳現象，且嚴格落實“三級巡檢”制度，確保機組各項運行參數在合理范圍內。基本排除了氣缸積碳造成各臺機組頻發爆震的可能性。

3.4 氣缸進液

在某些情況下，乙二醇冷卻液滲漏進預燃室并參與燃燒會導致爆震。日常運行中應監視各缸排氣溫度，若溫度高于正常值，則需檢查氣缸是否有冷卻液滲漏現象。此外，處理廠閃蒸氣接入低壓燃氣系統。若閃蒸溫度過高，會造成閃蒸分離器液相中分子量較大的烴類物質揮發成氣相，這部分重烴類物質進入低壓燃料氣管網后，造成燃氣數據與機組控制系統設置值不一致。自2014年低溫分離器排液流程進行了自動連排改造后，流經凝液換熱器的凝液呈小流量、連續性的特點，平均每分鐘通流0.0054m3，這就使得閃蒸溫度遠遠超過工藝許可范圍，大量重烴進入燃氣系統，爆震傾向大大增加。

3.5 空氣進氣溫度過高

空氣進氣溫度過高會導致氣缸內混合氣溫度過高，從而引發爆震停機。可能導致空氣進氣溫度過高的原因有：（1）環境溫度高；（2）冷卻液溫度高；（3）中冷器過臟，換熱效率差；（4）低濃度燃料運行；（5）空濾不暢；（6）溫度傳感器故障；（7）后冷卻器冷卻效果不佳。處理廠地處沙漠腹地，冬夏兩季溫差巨大，但機組爆震故障多發于冬季生產運行期間，故排除空氣進氣溫度高導致機組爆震故障頻繁的可能性。

3.6 針閥開度不當

針閥開度不當將引起預燃室內空燃比異常從而導致預燃室熄火，該氣缸不工作，進而其它氣缸會出現過載現象，并發生爆震。通過排查，各臺機組每個氣缸燃燒時間均存在程度不一的差異，判斷針閥開度不當是引發爆震故障頻發的原因之一。

3.7 空燃比不當

空燃比不當會造成氣缸內混合氣體的濃度比例失當，當混合氣過濃時，容易引發爆震。考慮氣田開發10年來，天然氣組分可能發生微量變化進而影響燃氣熱值、比重等關鍵數據，燃氣數據設置不合理可能是引起爆震故障頻發的原因之一。

3.8 點火不良

如果某氣缸出現點火不良現象，進而其它氣缸會出現過載現象，并發生爆震。此時，防止機組出現點火不良就變成了抑制爆震的前提條件。綜上所述，我們判斷導致機組爆震故障頻發的主要原因有以下幾點：（1）氣缸進液；（2）燃氣數據失當造成空燃比不當引發爆震；（3）針閥開度不當引發爆震；（4）火花塞、單向閥故障引起氣缸點火不良而誘發爆震。

4 抑制爆震的措施

4.1 調整系統內燃氣數據設置

針對機組爆震故障在冬季多發、頻發的情況，選在2015年8月對7臺天然氣壓縮機組發動機燃料氣重新取樣，進行組分化驗分析，重新標定燃料氣設定熱值。為使本次化驗結果準確可信，最接近實際情況，取樣位置選在燃料過濾器之后，燃氣切斷閥之前的壓力表處。取得燃料氣高位熱值、低位熱值、比重等關鍵數據后，由現場專業技術人員使用發動機控制診斷軟件（ET）對系統內燃氣設定值重新進行寫入。

4.2 優化工藝流程已降低燃氣內重烴組分含量

4.2.1 控制閃蒸溫度，降低燃料氣中重烴揮發性物質含量

為解決低溫分離器聯排后排液量過小造成凝液過熱的問題，處理廠停運了1#、3#閃蒸系統，裝置排液全部通過2#閃蒸系統進行處理，有效解決了上述問題。并對3臺凝液換熱器蒸汽進口管線調節閥閥芯進行拆檢更換，對執行機構及溫度連鎖控制進行調試，保證閥門啟閉嚴密，調節靈敏；在凝液換熱器蒸汽進口旁通管線閘閥下游加盲板封堵，杜絕蒸汽因閥門內漏進入換熱器，保證重烴類物質不因溫度過高而進入燃氣系統。

4.2.2 改造工藝流程，保障燃氣品質

在燃料氣區閃蒸氣和不凝氣出口管線處增設一臺套管式換熱器，與裝置區低溫分離器來液進行換熱后進入新增的立式分離器，對凝析出的液體進行有效分離。分離后的液體進入凝析油穩定系統，氣體進入燃料氣系統經燃氣分液罐再次分離，將燃氣中重烴類物質含量控制在一個較低的水平，保障了燃氣品質，抑制機組爆震傾向。通過改造，閃蒸氣和不凝氣析出的凝液將不再帶入下游燃氣系統，這將會有效降低機組爆震故障發生率。

圖1 裝置區低溫凝液流程

4.3 定期檢查針閥開度，標定燃燒時間

機組運行一定時間后，燃燒時間會發生不可控的偏移，為使機組保持良好的運行狀態，每季度應使用卡特彼勒電子技師軟件（Cat ET）對天然氣壓縮機組的燃燒時間進行一次標定，確保各氣缸的實際燃燒時間與預定燃燒時間差異在±0.20ms之內。

4.4 加密火花塞檢查頻率

火花塞長時間工作后，中心電極與側電極會因為金屬端的損耗或積碳造成極間間隙的變化，該變化可能導致：（1）氣缸失火從而造成其他氣缸超負荷運行引起爆震；（2）火花塞積碳蓄熱，造成燃料提前點火，引起不可控的爆震。為提高火花塞及單向閥的可靠率，機組每運行1000小時以上，需對火花塞進行檢查，將電極間隙調整為0.29±0.03mm（0.011±0.001in）；對單向閥進行檢查更換。

4.5 定期檢查更換燃氣濾清器濾芯

為減少燃氣系統帶液造成的發動機爆震故障次數，處理廠組織保運隊伍每1000小時維護保養時對燃氣過濾器濾芯進行檢查，技術人員現場確認，發現異常及時更換。機組每運行5000小時后強制更換燃氣過濾器濾芯。

4.6 加強運行參數監控及人員培訓

運行狀態監控是保證設備高效運轉的關鍵所在，為此，需對操作員工進行系統培訓，嚴格管理，確保機組運行狀態受控。（1）對監控崗員工進行燃料氣系統工藝流程培訓，要求員工密切關注低壓燃料分液罐液位，及時對分液罐進行排液操作；（2）對操作崗員工進行機組相關知識培訓，使員工清楚各個關鍵點運行控制風險所在，從根源上杜絕潤滑油加注過量、點火系統故障停機后盲目啟機等現象。

5 結論及效果評價

通過采取一系列抑制爆震的措施，機組爆震故障率自2014年的48.37%下降至2016年的32.64%，有效減少了機組維修維護工作量，顯著節約了設備運行維護成本，并且極大的提升了生產運行效率。

[1]劉磊. 燃氣發動機爆震故障處理[J].化工管理.2015(05).

[2]于吉超等. 稀薄燃燒汽油機爆震特性[J].燃燒科學與技術濟，2007(02).

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