燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)應(yīng)用劣質(zhì)油田伴生氣的研究

王華磊，董志偉，潘新霞，李明曉，姚鵬

（中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司，山東 濟(jì)南 250300）

1 前言

石油層間含有以甲烷、乙烷等為主要成分的氣體，此類氣體屬于可利用不再生能源，在開采石油的過程中此類氣體就會(huì)溢出。伴生氣回收處理就是指對(duì)此類氣體進(jìn)行分離、提純，最終得到純的天然氣混合液（NGL），然后進(jìn)行天然氣的銷售。

早在20世紀(jì)60年代，伴生氣回收處理在我國(guó)得以初步應(yīng)用。從世界范圍看，國(guó)外一些國(guó)家受技術(shù)的制約伴生氣回收并不理想，再加上此類國(guó)家液體燃料資源豐富，從投入和產(chǎn)出比考慮，沒有重視對(duì)伴生氣的回收利用，大部分伴生氣被就地燃燒或排向大氣中。

國(guó)外一些油田電力發(fā)展嚴(yán)重滯后，電力供給不足，伴生氣可以作為發(fā)電燃料以解決這一地區(qū)的電力供給不足等問題，同時(shí)，還可以緩解這一地區(qū)的環(huán)境污染。各地伴生氣質(zhì)量差異較大，一般都比較差，利用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電很容易造成設(shè)備故障，進(jìn)而影響油田的正常生產(chǎn)，降低油田的經(jīng)濟(jì)效益。因此，怎樣根據(jù)劣質(zhì)油田伴生氣質(zhì)量選擇合適的內(nèi)燃?xì)膺M(jìn)行發(fā)電就顯得尤為重要，對(duì)此進(jìn)行研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

本文將在全面分析劣質(zhì)油田氣源的基礎(chǔ)上，就劣質(zhì)伴生氣對(duì)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的影響展開闡述。通過實(shí)驗(yàn)論證和理論推導(dǎo)得出科學(xué)的伴生氣發(fā)電內(nèi)燃機(jī)選型。

2 劣質(zhì)油田伴生氣氣源分析

受地域差異的影響，油田伴生氣中甲烷含量存在差異，我國(guó)四川盆地的伴生氣甲烷含量超過80%。其他地區(qū)的伴生氣含量一般低于這一數(shù)值，而伴生氣含量一般在65%～85%。除了甲烷以外，伴生氣中還含有乙烷、丙烷等其他烴類。伴生氣的低燃值約為42.0kJ/m3（標(biāo)況)。

伴生氣各成分含量的多少?zèng)Q定了其特性，如燃值、空燃比等。根據(jù)伴生氣成分特征分析出其對(duì)燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電動(dòng)機(jī)的影響。影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出的重要指標(biāo)是混合氣的低燃值，燃?xì)獬煞植煌杖急炔煌ㄒ姳?）。

表1 國(guó)外部分地區(qū)油田伴生氣組分

點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)抗爆性一般用甲烷值（MN）表示，而氣體燃料甲烷值的評(píng)定方法為MSTM辛烷值評(píng)定法，在條件不變的情況下，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行甲烷值測(cè)定當(dāng)被測(cè)氣體燃料的甲烷值與已知比例的甲烷氫氣混合氣體的甲烷值相同時(shí)，則可以得出該氣體燃料的甲烷值，即為標(biāo)準(zhǔn)燃料中甲烷的體積百分?jǐn)?shù)。

利用相關(guān)軟件對(duì)以上國(guó)家伴生氣的甲烷值進(jìn)行分析可知（表2），燃?xì)獾目贡耘c甲烷值呈正向關(guān)，即甲烷值越大，燃?xì)獾目贡栽胶茫ㄒ姳?）。

表2 氣源分析甲烷值和氣源處理后甲烷值

在非正常燃燒的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞容易被燒壞，造成拉缸或活塞環(huán)、汽缸蓋墊片損壞，更有甚者，造成連桿斷裂等，從而引發(fā)安全事故。

為了消除對(duì)甲烷值的影響，常規(guī)做法是通過冷凝將其除去。常規(guī)的冷凝法有以下三種，即淺冷、中冷和深冷，三者的主要區(qū)別是溫度不同，分別在-40℃、-70℃、-100℃條件下進(jìn)行。

通過表3分析可知，正丁烷飽和蒸氣壓在20℃時(shí)為0.201MPa，此時(shí)，正丁烷為氣體。當(dāng)正丁烷為液體時(shí)，其處于C5+及以上。因此，從表中可以得出，采用中冷冷凝就可以實(shí)現(xiàn)C3+的液化。

表3 石油氣的飽和蒸汽壓表

在國(guó)外，對(duì)輕烴無特殊要求的地區(qū)，開發(fā)設(shè)備的投資成本比較高。因此，為了降低設(shè)備成本，可以采取冷凝法將C5去除，留下C4組分。去除C5組分的伴生氣甲烷值略高于有C5的伴生氣。

3 劣質(zhì)油田伴生氣對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的影響

根據(jù)以上分析可知，劣質(zhì)油田伴生氣甲烷值普遍偏低，容易造成燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)爆震。爆震引發(fā)極高的機(jī)械和熱應(yīng)力負(fù)荷。氣體燃料的抗爆性決定了燃?xì)鈾C(jī)的工作原理和工作時(shí)間。燃?xì)鈾C(jī)氣缸大小對(duì)抗爆性也有一定的影響，氣缸尺寸與抗爆性呈反向關(guān)系，這是因?yàn)闅飧壮叽缭酱螅變?nèi)溫度越高，當(dāng)缸內(nèi)溫度達(dá)到極值時(shí)，缸內(nèi)氣體體積最大。

為了有效預(yù)防爆震，可以采取以下幾種預(yù)防措施：（1）設(shè)法降低負(fù)荷。（2）設(shè)法降低溫度，采取冷凝氣體的方法確保混合氣體的溫度穩(wěn)定在40℃以下。（3）在確保效率的情況下，延遲點(diǎn)火，降低壓縮比。點(diǎn)火過早會(huì)增加爆震的概率，點(diǎn)火過遲又會(huì)導(dǎo)致排氣溫度的提升，進(jìn)而導(dǎo)致燃?xì)鈾C(jī)過早出現(xiàn)故障，縮短其工作壽命，降低了設(shè)備的使用效率。（4）增加混合氣體中的空氣含量，從而降低燃?xì)鈾C(jī)的熱應(yīng)力，提高設(shè)備的抗爆震能力。

4 AVL試驗(yàn)報(bào)告分析

采用定量分析法，對(duì)劣質(zhì)油田伴生氣甲烷值對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響進(jìn)行分析。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究較多。比如，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商卡特、MAN在其出廠的發(fā)動(dòng)機(jī)說明書中，明確指出，在甲烷值低于某一數(shù)值的燃料，不能使用該發(fā)動(dòng)機(jī)。

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)AVL公司也曾有過這方面的研究。

發(fā)動(dòng)機(jī)均效壓力與燃料甲烷值之間存在某種關(guān)系，如圖1所示。進(jìn)一步分析可知，在圖1中，橫線表示發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，而爆震限制線為直線，表示在該直線上發(fā)動(dòng)機(jī)無爆震現(xiàn)象，與之對(duì)應(yīng)的值即為允許的燃料甲烷值，直線以下的值則表示存在爆震現(xiàn)象，與之對(duì)應(yīng)的是不允許的燃料甲烷值。

圖1 甲烷值對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)均效壓力與增壓中冷后的進(jìn)氣溫度存在某種關(guān)系，如圖2所示。在確保不出現(xiàn)爆震的情況下，隨著進(jìn)氣溫度的提升，要適當(dāng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，或在輸出功率不變的情況下要適當(dāng)降低進(jìn)氣溫度。

圖2 中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的影響

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用介紹

以我廠在中亞某項(xiàng)目中產(chǎn)生的伴生氣為例，該油田產(chǎn)生的伴生氣成分如表5。

表5 中亞某項(xiàng)目氣源組分

由圖3可知，氣源甲烷值為54.2，經(jīng)過相關(guān)處理后甲烷值為64.56。

圖3 中亞項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

現(xiàn)場(chǎng)配置機(jī)組4臺(tái)，每臺(tái)功率為1000kW,實(shí)際工作功率約為520kW。在對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)每臺(tái)機(jī)組可以達(dá)到720kW。

以伊拉克某油田伴生氣項(xiàng)目為例，現(xiàn)場(chǎng)配置機(jī)組10臺(tái)，每臺(tái)機(jī)組功率為2000kW，具體如表6。

表6 伊拉克現(xiàn)場(chǎng)氣源組分

該油田伴生氣甲烷值為59，實(shí)際持續(xù)輸出功率為1150kW。在對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)每臺(tái)機(jī)組可以達(dá)到1300kW。該油田所在地區(qū)最高溫度達(dá)到50℃，這一溫度對(duì)機(jī)組的輸出功率產(chǎn)生了影響。

以上兩個(gè)油田伴生氣發(fā)電項(xiàng)目實(shí)際工作輸出功率在70%左右（65%～75%），這一結(jié)果與AVL公司的實(shí)驗(yàn)高度吻合。

6 結(jié)語

本文在全面闡述國(guó)際產(chǎn)油區(qū)劣質(zhì)伴生氣特征的基礎(chǔ)上，就其對(duì)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的影響進(jìn)行了分析，就合理科學(xué)利用此類氣體的投入的必要性進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述。通過項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行與AVL公司實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，為劣質(zhì)油田伴生氣發(fā)電項(xiàng)目的內(nèi)燃機(jī)設(shè)備選型提供理論參考。