Perkins4000 系列天然氣發動機中修探討

徐太貴，葛倩冰，折 明

（中油國際管道有限公司，北京 100028）

0 引言

Perkins4000 系列發動機是以Dorman 柴油機公司成功的SE系列柴油機和火花點火氣體燃料發動機為基礎的。4000 系列發動機包括直列6、8 缸機以及60°V 形12/16 缸機，渦輪增壓，缸徑160 mm，行程190 mm。該系列發動機的主要特點是：氣缸蓋的4個氣門表面鍍斯太立特硬質合金；油道冷卻活塞的頂環槽表面鍍鎳，降低了它與不規則四邊形頂環之間的磨損；錐形活塞銷襯套增大了承載面積；曲軸箱檢查孔蓋便于保養和維修[1]。

1 天然氣發動機簡介

1.1 天然氣發動機工作原理

天然氣發動機按照燃料燃燒所處的位置分為內燃機和外燃機兩大類[2]。啟動時通過人力或者其他動力轉動發動機曲軸使活塞在頂部密閉的氣缸中作上下往復運動。活塞在運動中完成四個行程：進氣行程、壓縮行程、燃燒和做功（膨脹）行程以及排氣行程。當活塞由上向下運動時進氣門打開，經空氣濾清器過濾的新鮮空氣進入氣缸完成進氣行程。活塞由下向上運動，進排氣門都關閉，空氣被壓縮，溫度和壓力增高，完成壓縮過程。活塞將要到達頂點時，電子點火系統自動點燃天然氣和空氣的混合氣，燃燒形成的高壓推動活塞向下做功，推動曲軸旋轉，完成做功行程。做功行程結束后，活塞由下向上移動，排氣門打開排氣，完成排氣行程[3]。每個行程曲軸旋轉半圈。各氣缸按一定順序依次做功，作用在活塞上的推力經過連桿變成了推動曲軸轉動的力，從而帶動曲軸旋轉。經若干工作循環后，發動機在飛輪的慣性下逐漸加速進入工作狀況。

1.2 Perkins4000 系列發動機簡介

Perkins4000 系列以功率強大著稱，Perkins 多年來對此系列產品投入巨資，令其性能不斷提升。4000 系列發動機初期廣泛用作配套備用發電設備，經過持續優化工作，此系列現在更深受原設備制造商和終端用戶歡迎，將其視為常用發電設備的首選動力。Perkins 4000 系列發動機不但結構堅固、耐用，其穩定性能更可保證時刻都有源源不斷的電力供應。即使是最嚴峻的操作條件下都能勝任，被證實是常用發電設備的可靠動力源。

自此系列面世以來，Perkins 已為全球最大型企業制造超過5萬臺4000 系列發動機，其中30%是用來配裝常用發電機組。穩定供電對保障生產生活最為關鍵。作為可靠性最高的發電動力方案，4000 系列發動機能確保全年365 d、每天24 h 給與動力支持[4]。

2 某輸油站場天然氣發電機簡介

2.1 Wilson 天然氣發電機簡介

天然氣發電機是一種以天然氣等可燃氣體為燃燒物的往復式活塞式內燃機作為動力的新型高效的發電機[5]。由于其具有輸出功率范圍廣、排放污染低、運行可靠高、體積小等優點[6]，且適合于天然氣資源比較豐富的地區采用，因此天然氣發電機具有廣泛的應用前景[7]。某輸油站場地處偏遠山區且無外電接入，但其周邊有豐富可靠的天然氣來源，故在設計之初選擇3 臺Wilson 廠家生產的PG345B3 型天然氣發電機組作為輸油站場生產和生活供電來源[8]。該發電機是由Perkins 發動機、Leroy Somer發電機和奇才EASYGEN-3000 智能并機控制系統組成，天然氣發動機和發電機使用柔性連接，并安裝在公共底架上，最終由Wilson 廠家成撬組裝。Perkins4000 系列發動機主要技術參數：發動機型號為Perkins4006-23TRS1，總功率為322 kW，發動機額定轉速為1500 r/min，發動機缸數為6 缸，直列L 形排列，氣缸容積為22.92 L，缸徑為160 mm，發動機沖程為190 mm，活塞速度9.5 m/s，耗氣量為80 L/h，壓縮比為12∶1，采用渦輪增壓進氣方式。

2.2 天然氣發電機組運轉時間及維修情況

某輸油站場于2014 年9 月建成，3 臺發電機組正式投入使用。截至2020 年1 月31 日，3 臺Wilson 天然氣發電機組運轉時間及中修時間如表1。

表1 某輸油站場3 臺天然氣發電機組運轉時間及中修時間

某輸油站場3 臺Wilson 天然氣發電機組從投產截至目前，均按照《Perkins 4006TRS 天然氣發動機保養手冊》標準按時進行500 h、1000 h、2000 h、4000 h、8000 h 維保，未發現重大故障。下面以某輸油站場GG03 發電機的Perkins4006-23TRS1 發動機的中修為例進行剖析。

3 Perkins4006 發動機中修發現的問題及數據檢測

3.1 發動機活塞頂部及缸套周圍處積碳

積碳的主要成分是燃料燃燒后形成的氧化物，其對發動機的平穩運行有很大的影響。過量的積碳導致發動機氣缸及活塞散熱性能下降，發動機排氣溫度較正常溫度會升高30～40 ℃，從而影響發動機活塞和缸套之間的潤滑，加劇活塞環的磨損，是導致缸套損壞的原因之一；由于排氣溫度的升高，使得渦輪增壓器動力端的進氣溫度也隨之升高，長期運行則會降低渦輪增壓器的使用壽命；同時，缸溫的升高，容易引起發動機爆燃現象的產生；粘附在進排氣門上的積碳，加劇了氣門磨損，使得氣門密封遭到破壞，發動機氣缸壓力降低，燃料燃燒熱值下降，導致發動機功率下降。中修前，發動機活塞頂部及缸套周圍處積碳嚴重，厚度達1～2 mm。

3.2 發動機氣缸蓋積碳

氣缸蓋表面粘附了大量積碳，厚度達0.5～1 mm。氣缸蓋上粘附的積碳影響了氣缸的散熱性能。

3.3 發動機連桿軸頸尺寸檢測

采用外徑千分尺工具對連桿軸頸尺寸進行檢測，參照《Perkins 發動機維修手冊》所提供的參數標準，數據見表2。連桿軸頸磨損較小，在標準范圍之內，滿足使用要求。

表2 連桿軸頸尺寸數據檢測表 mm

3.4 發動機連桿軸瓦內徑尺寸檢測

采用內徑百分表工具對連桿軸瓦內徑尺寸進行檢測，參照《Perkins 發動機維修手冊》所提供的參數標準，發現6 副連桿大頭瓦磨損雖未超過允許最大值，但均出現了不同程度的磨損劃痕，為保證運行安全對其進行更換，安裝6 副新瓦，經檢測數據見表3，6 副新瓦經檢測，在標準范圍之內，滿足使用要求。

表3 連桿軸瓦（新瓦）內徑尺寸數據檢測表 mm

3.5 發動機連桿襯套尺寸檢測

采用內徑百分表工具對連桿襯套尺寸進行檢測，參照《Perkins 發動機維修手冊》所提供的參數標準，數據見表4。

表4 連桿襯套尺寸數據檢測表 mm

連桿襯套磨損較小，在允許值范圍內，滿足使用條件。

3.6 發動機活塞銷磨損量檢測

采用外徑千分尺工具對活塞銷磨損量進行檢測，參照《Perkins 發動機維修手冊》所提供的參數標準，數據見表5，活塞銷磨損量在允許值范圍內，滿足機組使用要求。

表5 活塞銷數據檢測表 mm

3.7 發動機活塞環環間隙檢測

采用塞尺工具檢測活塞環環間隙，參照《Perkins 發動機維修手冊》所提供的參數標準，數據見表6，活塞環環間隙正常，滿足機組使用要求。

表6 活塞環環間隙數據檢測表 mm

3.8 發動機活塞環側間隙檢測

采用塞尺工具檢測活塞環側間隙，參照《Perkins 發動機維修手冊》所提供的參數標準，數據見表7，活塞環側間隙正常，滿足機組使用要求。

表7 活塞環側間隙數據檢測表 mm

3.9 發動機活塞環厚度檢測

采用游標卡尺工具檢查活塞環厚度，以便檢查活塞環磨損情況，參照《Perkins 發動機維修手冊》所提供的參數標準，數據見表8，活塞環厚度正常，磨損情況正常，滿足機組使用要求。

表8 活塞環厚度數據檢測表 mm

采用塞尺工具檢查氣門間隙，參照《Perkins 發動機維修手冊》所提供的參數標準，數據見表9。

表9 氣門間隙數據檢測表 mm

由于氣門及氣門導管部件是天然氣發動機工作過程中密封燃燒室和控制內燃機氣體交換的精密零件，其工作環境也比較惡劣，長期在600 ℃以上的高溫環境中工作，還得承受反復的沖擊載荷，如此長期會加速其磨損[9]，因此針對氣門間隙的調整，務必按照標準嚴格執行。此次中修保養前均大于正常值，待調整到正常使用要求值，滿足機組使用要求。

3.10 發動機其他部件

天然氣發動機其他中修更換清潔部件，例如火花塞、機油濾芯、空氣濾芯、曲軸箱呼吸閥、電磁充電機等，均按照中修標準實行更換；文丘里管、渦輪增壓器、中冷器、啟動馬達、潤滑油泵等均按照標準進行清潔，如果部件磨損嚴重，可進行更換。其中火花塞需要特別注意，采集火花塞進行分析，如果火花塞前端絲扣有少許機油，則需要去檢查氣門導管和油封[10]。

4 結論

某輸油站場GG03Wilson 天然氣發電機在中修前多次出現不能正常啟機，運轉過程中存在喘振的現象，經過此次發動機中修，發現了缸頭和氣缸、活塞環做功燃燒位置均出現了不同程度的大量積碳，厚度最大可達2 mm，部分氣門與氣門座出現了腐蝕麻坑，造成做功時氣門密封不嚴，以上兩點將會嚴重的影響到發動機的功率與性能，造成發動機動力不足、轉速不穩定、排氣溫度過高等問題。由于積碳過多同時也會間接的造成火花塞點火不良與發動機爆震等現象，對發動機的工況與重要部件的使用壽命造成嚴重影響。

此次Perkins4006-23TRS1 天然氣發動機的中修給Perkins4000 系列發動機中修及其他維護保養提供了參考。