400GF30型系列發電機組現場試驗應用研究

蘇 偉，龍 濤，豐光強

（中國石油川慶鉆探工程公司川西鉆探技術應用與研發中心，四川成都 610051）

0 引言

以美國和歐洲的環境保護排放標準為參照制定的《大型柴油機排放標準》，于近期頒布實施，中國石油旗下濟南柴油機廠各系列柴油機排放不能滿足該要求，采用高壓共軌技術的新型柴油機JC15FD系列應運而生，并與西門子電力系統配合，開發出400GF30型柴油發電機組，于2016年開始在公司70541，70537等鉆井隊作為鉆機配套發電設備進行試驗運行。該型柴油機采用了一些新技術，也從其他柴油機設計上做了一些借鑒，現分析該柴油機在現場使用情況以及設計特點。

1 400GF30系列發電機組技術特點

1.1 動力設備配置

采用JC15FD系列柴油機作為動力設備，特點是燃油系統中有一公共高壓油軌，用高壓（中壓）輸油泵向公共油軌中泵油，用電磁閥對油軌中的壓力進行調節。高壓（中壓）的柴油由公共油軌分別通向各缸噴油器，由裝在噴油器內的電磁閥控制噴油量和噴油正時，噴油壓力或直接決定于共軌中的壓力，或由噴油器中的增壓活塞對從公共油軌來的燃油進行增壓。共軌式電控噴油系統可以同時控制噴油量、噴油正時、噴油壓力、噴油速率，且能實現高壓噴射滿足排放要求。

同時，在原采用傳統高壓油泵—高壓油管—噴油器的噴油系統柴油機上使用時，結構變化很小。

1.2 主要技術參數

JC15FD系列柴油機技術指標和負荷特性曲線分別見表1和圖1。

2 動力設備發電機組發展現狀

柴油機的發展就是其燃油系統的發展，主要有2個階段，一是燃油系統主要零部件的發展變化，二是關鍵部件高壓油泵與噴油器的組合分代。

表1 JC15FD系列柴油機技術指標

20世紀90年代發展起來的電控柴油噴射系統主要有2種形式，一是Bosch公司共軌式電控柴油噴射系統，二是高壓油泵和噴油器組合在一起，沒有外部高壓油管的單體組合式噴油器系統。

圖1 JC15FD型柴油機負荷特性曲線

（1）燃油系統主要零部件的發展變化。①增加了發動機控制模塊（Electronic control module，ECM），對噴油器進行精確的電子控制。②將高壓油泵和噴油器進行結合，組成電子控制的單體噴油器（MEUI），實現從低壓到高壓噴油，使燃燒更充分，工作效率更高。

（2）關鍵部件高壓油泵與噴油器的組合分代。①傳統高壓油泵。高壓柱塞泵集中在一個泵體內，由凸輪軸驅動。②分列泵改進型。每個柱塞泵由高壓油管與噴油器對應連接，單獨驅動。③高壓共軌技術。由2只高壓柱塞泵提高燃油壓力，共軌腔儲存高壓油并引出高壓油管分別與噴油器連接，電磁閥控制開啟關閉油路。④機械控制單體噴油器（MUI）噴射柴油機。使用凸輪軸、挺桿驅動搖臂控制柴油機進行進油、壓油和噴油工作；無外部高壓燃油管路，最高噴油壓力可達140 MPa（1400 bar）。⑤電子控制單體噴油器（EUI）噴射柴油機。無外部的高壓燃油管路，使用電磁閥控制燃油的開啟、關閉及增壓，可以精確的控制合適的噴油正時和供油持續時間，最高噴油壓力可達207 MPa（2070 bar），控制時間快速準確到1/120 000 s。⑥液壓操作電子控制單體噴油器噴射柴油機。燃油的壓力由液壓系統提供，沒有外部高壓油管，準確的噴油正時及噴油持續時間的控制，噴射壓力可高達162 MPa（1620 bar），噴油壓力幾乎不受發動機轉速影響

3 JC15FD柴油機特點分析

3.1 JC15FD柴油機結構特點

JC15FD系列柴油機燃油系統采用的高壓共軌技術，屬于柴油機燃油系統發展過程中，燃油壓力由低到高的過渡階段，現已過時，屬于淘汰技術。工作原理為燃油經過帶油水分離器的燃油粗濾器后，被吸入集成在高壓共軌泵上的輸油泵內；經輸油泵加壓后，通過燃油精濾器進入高壓共軌泵的低壓腔，其中一部分燃油經過共軌泵的柱塞腔加壓形成高壓燃油，從共軌泵出油閥口流經高壓油管匯集入共軌管的蓄壓室，為噴油器的高壓噴射提供穩定持續的高壓燃油源；另一部分燃油經過由共軌泵電磁閥控制的進油閥回到共軌泵的低壓腔。低壓腔燃油保持一定的燃油壓力，多余的燃油通過共軌泵上的限壓溢流閥與噴油器的回油一起流回油箱。

3.2 優點

（1）采用西門子先進的配電系統，設計合理、功能強大、操作簡便、保護設施完備。

（2）采用先進的機組控制系統。增加啟動定時暖機保護、停車延時保護等功能人性化，做到了本質安全。

（3）增加各種電子監控保護系統，使機組更安全。

（4）JC15FD柴油機各個系統分布合理緊湊，修理方便。

3.3 缺陷

（1）高壓油泵與高壓共軌腔之間的高壓連接油管接頭處易出現滲漏。

（2）油底殼呼吸器排氣系統中加裝的油氣分離器可以取消。該設計為借鑒其他機型設計，其初衷是減少油底殼呼吸器油煙排放，油氣分離后再次利用，但是無論怎樣分離，這部分氣體中氧氣含量極低，抵消了中冷器的作用，反而降低了進氣效率，影響燃燒效率，降低功率。

（3）風扇支撐座設計不合理。支撐座太長且無加強筋，風扇運轉時撓性力矩大，支撐座本體和固定螺栓易斷裂，發生事故。

（4）柴油機和機組功率不匹配。機組400 kW，動力機457 kW，加上發電機和風扇附屬設備后，動力機功率偏小。

（5）并車裝置功能單一。只能有2個發電機組能夠并車運行，不能為電動鉆機提供動力配套，限制其發展。

3.4 改進措施

（1）綜合現有鉆機動力需求，400 kW動力功率偏小，優化配套，增加動力機功率為（600～1200）kW/臺較為合理。

（2）控制設施增容，能保證4車并車使用，達到為電動鉆機提供動力的標準，從而增加銷售通道。

（3）高壓共軌腔與機體間增加隔熱防護板，保證漏油時油霧不因高溫而燃燒，保證使用安全。

（4）改善風扇支撐座設計，以90°間隔加裝4個三角形斜拉筋加固。

（5）取消油底殼呼吸器排氣通道油氣分離器，改為延長管道至散熱器外的設計。

4 結論和建議

（1）高壓共軌技術在20世紀90年代產生，用以取代傳統的高壓油泵動力機，得到迅速發展，特別在高檔汽車領域應用極廣，也有部分小型柴油機使用，但是伴隨該項技術的深入使用，暴露出高壓管線易爆管，引起設備燒毀，逐漸被高壓直噴技術所替代。

（2）所用高壓共軌技術是經過驗證的淘汰技術。應著力開發更為先進，采用高壓直噴的電子控制單體噴油器（EUI）噴射技術柴油機，實現彎道超車。

（3）現階段不適合替代同功率級別的VOLVO1631，VOLVO1632，CATC15等柴油發電機組。待改進試驗成功后再實施換代更新。