一種節油裝置在油田鉆井柴油機中的應用研究

孫栓 張忠元 王澤勝 李帥 張文強

摘要：油田直驅鉆井柴油機在工作過程中低負荷工況占比較高，此工況的油耗比經濟區高約25%，而此時風扇功率占比較大且存在散熱冗余。通過在柴油機自由端安裝液力偶合器，可以解決低負荷工況油耗高的問題。本研究采用臺架試驗模擬鉆井低負荷工況，并分別將液力偶合器設置成全速及溫控兩種模式，對比分析了低負荷工況柴油機的油耗，并在油田現場實際進行了對比試驗。試驗結果表明，安裝液力偶合器的柴油機具有明顯的節油效果。

Abstract： Oil field direct drive drilling diesel engine accounts for a high proportion of low load condition in the working process，the fuel consumption under this condition is about 25% higher than that in the economic condition，at thiscondition，the fan power accounts for a large proportionand there is heat dissipation redundancy. By installing the hydraulic coupling at the free end of the diesel engine，we can solve the problem of high fuel consumption under low load conditions. In this study， the bench test simulates low load conditions，the hydraulic coupling is set to full speed and temperature control modes respectively， we compared and analyzed the fuel consumption of low load condition，and then carried out comparative test in the field. The test results show that，the diesel engine with hydraulic coupling has obvious fuel saving effect.

關鍵詞：油田;柴油機;液力偶合器;節油

Key words： oil field;diesel engine;hydraulic coupling;fuel saving

中圖分類號：TK422 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0020-04

0 ?引言

柴油機在工作過程中，會產生大量的熱量，風扇水箱是最常見的散熱方式，目前應用最多的風扇聯接方式是柴油機皮帶輪通過皮帶直接驅動風扇皮帶輪，該聯接方式使得風扇轉速始終與柴油機曲軸轉速成一定比，無法根據柴油機的實際散熱量匹配風扇轉速，在柴油機低負荷工況，往往存在散熱冗余。

2020年3月，濰柴重機股份有限公司給某鉆井公司配套的油田專用柴油機在運行時客戶反饋燃油耗高問題，通過分析油田用柴油機的作業特點，得出結論為低負荷工況占比太大。本研究是在柴油機皮帶輪和風扇之間安裝液力偶合器，可以根據柴油機高溫水的溫度來調節風扇轉速，當低負荷工況時，水溫很低，液力偶合器輸出端不工作或轉速很低，從而降低風扇轉速，節約能耗;當高負荷工況時，水溫升高，液力偶合器滿速輸出，從而風扇轉速較高，散熱量大。

本文采用的是臺架試驗和油田現場試驗相互驗證的方式，深入開展液力偶合器在油田鉆井柴油機領域的節油效果研究。

1 ?油田鉆井柴油機燃油耗高問題分析

2020年3月，濰柴重機股份有限公司給延安某鉆井公司配套了一臺油田直驅代號為YT01的柴油機，該井隊的鉆井方式為直驅式轉盤鉆，設計井深約為2000米，單臺柴油機工作，通過減速箱驅動泥漿泵，泥漿泵驅動絞車和轉盤（如圖1），鉆井過程中柴油機常用轉速1250r/min，實際使用過程中，客戶反饋鉆打一口井平均燃油消耗量為21t，未達到電控柴油機理想燃油耗。

在排除了柴油機本身燃油系統、進排氣系統和配氣系統的故障后，我們對柴油機的工況進行了現場測試。經測試，鉆井工況分為三類：鉆進、提鉆和下鉆，各工況的詳細參數如表1。

鉆進工況：鉆進工況常用扭矩4660N·m，占比98.7%，最大扭矩8388N·m;常用功率610kW，占比98.7%，最大功率1034kW（如圖2）。

提鉆工況：提鉆工況常用扭矩1630N·m，占比81.3%，最大扭矩8378.5N·m;常用功率210kW，占比81.3%，最大功率1024kW（如圖3）。

下鉆工況：常用扭矩1110N·m，占比97.9%，最大扭矩8388N·m;常用功率130kW，占比97.9%，最大功率1034kW（如圖4）。

對比廠內試驗柴油機的功率油耗特性曲線圖（圖5），通過分析可知，三類工況中，提鉆和下鉆工況屬于低負荷、高油耗區間②，鉆進工況屬于中高負荷工況、低油耗區間①。

經過分析可知，柴油機鉆井各大工況基本在相應的油耗區間，想要進一步優化油耗的話，只能重新優化進排氣、配氣和燃油系統的性能件，但卻只能優化鉆進工況的油耗，提鉆下鉆的工況很難兼顧。而風扇消耗的功率在30kW左右，在低負荷工況中占總功率的1/4～1/5，占比較大，可以考慮在柴油機皮帶輪和風扇之間安裝液力偶合器來降低風扇消耗的功率。

2 ?液力偶合器工作原理

液力偶合器是一種以液體為傳動介質的液力元件，裝置在柴油機和冷卻風扇之間，可傳遞扭矩，具有無級調速、傳動平穩、隔振無沖擊性的特點，可以改善動力機組的傳動品質，也是一種節能降耗的動力傳輸設備。

圖6是一種常見的液力偶合器的原理圖。

液力偶合器是依靠液體柔性傳遞動力，其工作原理是：柴油機驅動連接盤（1）輸入法蘭（2）使輸入軸（3）和泵輪（7）旋轉，當充油閥的工作液進入工作腔，受泵輪離心力的作用，工作液由泵輪心部（即泵輪入口）流向外緣（即出口而形成高壓高速液流進入渦輪（8）外緣（即渦輪入口）并沖擊渦輪葉片，使渦輪和輸出軸（9）與泵輪同向旋轉，輸出軸上的皮帶輪，帶動冷卻風扇開始工作旋轉;同時液體又由渦輪外緣流向心部（即出口）再回到泵輪入口如此循環流動，這樣泵輪將柴油機的機械能轉換為液體能輸入，而渦輪又將液體能轉換為機械能輸出，而實現柴油機與冷卻風扇之間的動力傳遞。

液體在工作腔中的這種循環流動，只有在泵輪與渦輪間存在轉速差（即滑差）時才發生，而傳遞力矩的大小取決于進入工作腔內液量的多少;當充油閥控制滑閥（16）口開度愈大，進入工作腔的液體愈多，當工作腔全部充滿液體時傳遞的力矩最大，故而控制滑閥的開度又決定了工作腔內的充液量。

充油閥控制滑閥（16）的開度，由熱敏元件（17）受熱變形來進行控制，來自柴油機高溫冷卻水系統出水管的少量高溫冷卻水，經過進水閥（14）和進水管，進入充油閥水腔，然后經出水管和出水閥（19）回到柴油機的進水管。冷卻水進入充油閥的水腔時熱敏元件（17）直接感受到柴油機高溫水系統出口冷卻水的溫度;當水溫升高時熱敏元件挺桿部份伸長，克服彈簧的壓力，推動壓塊（20）活塞（21）和控制滑閥（15）向左移動;當水溫達到72-78℃時，充閥口F打開，柴油機機油系統的少量機油經柴油機機油管進減壓閥（23或節流板）旋閥（24）自動進入充油閥口F，經殼體（5）壁左軸套（4）上的噴油孔進入偶合器工作腔。當水溫愈高時，熱敏元件挺桿的伸長愈多，推動控制滑閥向左移動距離愈大，充油閥口F的開度愈大，進入偶合器工作腔的油液愈多，渦輪（8）風扇（10）轉速越高;當水溫達到80-85℃時，偶合器的工作腔充油量最大，風扇的轉速達到額定值;反之冷卻水溫度降低時，熱敏元件挺桿長度縮短，充油閥控制滑閥在彈簧作用下向右移動閥口F的開度減小，進入偶合器工作腔的油量亦減少，泵輪對渦輪的液體能降低，風扇轉速降低;當水溫降低到65-72℃時，閥口F關閉，進入偶合器工作腔的油量減少到零，風扇停止轉動。

3 ?臺架試驗

3.1 試驗條件

試驗研究的對象是濰柴重機同款型號為YT01的柴油機，詳細參數見表2;試驗所用的儀器見表3。柴油機和風扇之間安裝濟柴YOTJ420型液力偶合器，偶合器動力輸入端與柴油機皮帶輪通過高彈聯軸器相連，偶合器輸出端通過皮帶與風扇相連，詳見圖7;偶合器從柴油機節溫器處取高溫水，回水到柴油機水泵進水管，用于控制液力偶合器熱敏原件伸縮量;采用柴油機機油驅動，從機油冷卻器處取油，回油至油底殼。

在風扇皮帶輪上安裝了轉速反光貼片，用于實時監測風扇轉速，利用測功機對柴油機進行轉速和功率調節。不同的試驗方案中，保持發動機各個工況點的轉速和扭矩一致，通過調節液力偶合器的“自動”和“手動”扳手來控制偶合器的轉速輸出。

3.2 試驗結果

3.2.1 油耗率對比

同轉速下，對比自動擋模式與手動全速模式，在低負荷工況（50%及以下）節油效果較明顯，在50%負荷工況下，油耗率平均降低4.5-6.5g/kW·h，詳見圖8、圖9、圖10。

3.2.2 轉速及溫度對比

在自動模式下，水溫在74-81℃之間調節波動，風扇轉速隨負荷降低而降低，30%負荷以下，風扇會間歇停轉，以達到節油效果。

3.3 試驗結論

安裝液力偶合器的柴油機在50%及以下的低負荷工況節油效果顯著，最高可節油7.6%，高負荷工況節油無明顯效果，最高可節油2.4%，原因是低負荷工況風扇散熱存在冗余，而高負荷工況風扇只有滿速才能達到散熱要求。

4 ?現場試驗

試驗的對象是安裝液力偶合器的同型號柴油機，試驗地點為同一鉆井公司現場，兩口井距離約100米，經測試，鉆井各個工況的油耗見表4。

通過對比未安裝液力偶合器柴油機各個工況的油耗，可知柴油機在安裝液力偶合器后，鉆進工況時，平均每小時油耗量降低2.3%，提鉆和下鉆工況時，平均每小時油耗量可降低5.4%。

更換帶液力偶合器的柴油機后，經現場實測，在地質結構相同，2000米井深時，鉆一口井總的燃油消耗量約在18.8t左右，省油效果明顯，客戶非常滿意。

5 ?結論

①油田鉆井柴油機工況較為單一，鉆進過程中的負荷在500-700kW，提鉆和下鉆工況負荷在100-250kW，鉆進過程中的油耗優化空間不大，而低負荷工況風扇消耗功率占比較大;②柴油機風扇在低負荷工況存在散熱冗余，造成功率浪費，安裝液力偶合器可以改善低負荷工況風扇的轉速;③通過臺架試驗和現場試驗，得出液力偶合器在油田鉆井柴油機中提鉆和下鉆等低負荷工況節油效果顯著，可以給客戶帶來較大的經濟效益。

參考文獻：

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