GTI柴油機雙燃料系統在頁巖氣壓裂設備上的應用

謝 猛，張樹立

（1.煙臺杰瑞石油服務集團股份有限公司，山東 煙臺 264003；2.煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司，山東 煙臺 264003）

隨著油價的不斷提高，降低發動機的運行成本成為目前行業研究的重要課題。油氣田壓裂設備是油氣田增產措施中的重要設備，其在致密氣、頁巖氣壓裂作業時設備相對固定時間長、工作時間長、功率消耗大、燃油消耗高，降低作業成本成為了一個重要的要求。近兩年隨著電驅動壓裂設備的開發與推廣，有了比較明顯的節能效果。但對于現存的柴油機驅動的壓裂設備，特別是對于用于頁巖氣壓裂作業的柴油機驅動的壓裂設備來講，如何降低燃料成本對于施工方來講是一個重要的課題。天然氣是比較經濟的能源，而且頁巖氣的井場氣源比較充足，但如果采用天然氣發動機對于壓裂設備來講面臨較大的困難，一是天然氣發動機較相同功率的柴油發動機的采購成本高，二是壓裂設備特別是車載設備受到車輛載荷的限制，天然氣發動機較相同功率的柴油發動機體積大、重量重，不適合在壓裂設備上應用。所以對于現有的柴油機驅動的壓裂設備，采用何種方案來降低燃料成本？出租車油改氣已經是大家非常了解的了，這種點燃方式的汽油機改為CNG燃料比較簡單，但對于柴油機來講就需要研究新的燃料替代方案。美國Altronic公司于20世紀60～70年代就開始推出的一種主要針對重型柴油機的GTI雙燃料改造系統，在不改變柴油機原有構造的情況下，實現天然氣替代柴油做燃料。而且國內也對柴油機雙燃料系統進行了研究和開發，并在中小型發電機組、重型卡車、石油鉆機動力等領域有所應用。

1 GTI雙燃料系統技術介紹

1.1 GTI雙燃料系統的組成和工作原理

GTI雙燃料系統組成包括一套燃氣管路與混合系統和一套控制系統。燃氣管路與混合系統包括過濾精度50 um的燃氣過濾器、調節燃氣壓力的調節閥、控制燃氣的電磁開關閥、調節燃氣量的功率閥和空氣/燃氣的混合器。控制系統通過各個傳感器的檢測實現對進氣歧管的壓力和溫度、發動機的真空度、尾氣排放的溫度、發動機的爆震以及供氣壓力的控制與監控，并能實現數據通訊。

發動機的啟動是依靠柴油啟動的。隨著發動機轉速的升高，渦輪增壓器參與工作，渦輪增壓器之前的壓力低于大氣壓，GTI控制系統各傳感器檢測發動機各個運行參數。當達到工作條件時，GTI系統混合器內的甲烷氣體和空氣一起被吸入增壓器進入氣缸參與燃燒，來替代一部分柴油。GTI系統的燃氣壓力調節閥將甲烷氣體壓力進行調壓處理，保持零壓，由燃氣功率閥嚴格控制混合的比例不超過3%，低于甲烷的自燃爆炸5%～15%的濃度，有效防止柴油機“飛車”和無法熄火，屬于完全被動式工作。發動機停止工作時，開關閥關閉，甲烷氣體不會被吸入發動機。當沒有氣源時，可以關閉GTI系統，發動機只在柴油模式下工作。

甲烷氣體的爆炸極限濃度在5%～15%，由于GTI混合器的特殊結構，保證摻入的甲烷氣體不會超過3%，所以所能替代柴油的消耗量最多為70%，并且只會提高不會降低柴油機的使用性能。

1.2 GTI雙燃料系統的特點

GTI 雙燃料系統具有以下主要特點：

①專門為重載柴油機設計，不僅適合持續運轉工況，也適合間歇工作工況；②不對柴油機本體進行改動，只在柴油機的空氣濾清器和渦輪增壓器之間加裝混合器；③加裝GTI系統后，保持原柴油機的輸出功率不變；④被動吸入式工作，對燃氣壓力要求不高，1-5Psig即可滿足要求；⑤不對柴油機本體進行改動，改造成本低，改造以后，可以降低運行成本；⑥改造后減少柴油燃燒量，減少積碳和顆粒的產生，減少對缸套、活塞環的磨損，降低維護成本；⑦系統可以自動在柴油模式/雙燃料模式之間切換，能夠適應不穩定的燃氣供應；⑧完善的控制和監控系統，并可通過RS232/485 接入柴油機原有的監控系統。

1.3 可燃氣體適用性

經過試驗和實際應用證明，GTI 雙燃料技術可以適合多種氣體，包括井口天然氣、油井伴生氣、壓縮天然氣（CNG）、液化天然氣（LNG）、煤層氣、生物氣等氣體燃料，這些氣體進行過濾、脫水、脫硫和去除雜質等預處理即可使用。

2 GTI雙燃料系統在頁巖氣壓裂設備上的應用

2.1 GTI雙燃料在頁巖氣壓裂設備應用實例

GTI雙燃料系統在國外已經有較多的應用，包括知名的油田服務斯倫貝謝、貝克休斯的鉆井動力、發電機組等，在國內的鉆機發電機組上也有少量的改造應用。煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司早在2012年就開始對GTI雙燃料在壓裂機組上的應用進行研究，2015年首次將該技術應用到中國制造的2000型壓裂設備上。該壓裂設備的柴油發動機為MTU-DDC 12V4000，GTI雙燃料系統安裝如圖2所示。經在廠內測試最大的燃油替代率能夠達到70%，發動機能夠在效率、穩定性、負荷響應能力等方面和原發動機相同的性能。發動機可以在全柴油模式和雙燃料模式之間順利相互切換，并且維持轉速和輸出功率不變，使用效果良好。之后又對一套10臺壓裂機組進行了GTI雙燃料系統進行了安裝應用與測試，測試照片如圖3所示。并將該套壓裂機組成功出口美國。

圖2 GTI雙燃料系統在壓裂設備上的安裝照片

圖3 裝有GTI雙燃料系統的2000型壓裂機組測試

2.2 GTI雙燃料改造的綜合效益

GTI 雙燃料改造技術主要是通過減少柴油的使用量來降低運行成本，帶來可觀的經濟效益的同時，雙燃料改造也將會給客戶帶來其他的效益：

（1）減少柴油使用量，降低運行燃料成本。以上述2000型壓裂橇組為例，發動機功率為1680 kW（2 250 hp），發動機的燃油消耗率為0.202 kg/kW·h，按照平均功率1 343 kW（1 800 hp），每年工作2 000 h，按照目前油價時期0#柴油8元/kg計算則運行一年的柴油成本為：

1 343 kW×0.202 kg/kW·h×8.0RMB/kg×2 000 h≈434萬元

經過GTI 雙燃料技術改造之后，按照最大70%的天然氣替代量，天然氣平均單價按照4.5 元/m3計算，發動機的總排量為48.7 L，進氣壓力為2.5大氣壓 ，按照進氣中3%的天然氣，每千瓦小時消耗的天然氣量為：48.7 L×0.03×2.5×1 900/2×60×60/1680=744 L

總的燃料成本為：

柴油成本：343×0.3≈103萬元

天然氣成本：1 343 kW×0.7×0.744 m3/kWh x 2000 x 4.5元/m3≈63萬元

總成本為：103+63=166萬元

節約成本：434-166=268萬元

一臺12V4000 柴油發動機的改造成本按照40萬元計算，大概兩個月可回收投資成本。按照頁巖氣工廠化壓裂的規模，平均每套機組16臺2000型壓裂設備作業，一年可節省燃油費用4288萬元，如果使用井口氣，加上預處理費用的平均價格在1元/m3左右，則經濟效益更加可觀。

（2）減少廢氣排放，清潔環保。發動機經過GTI雙燃料系統改造之后，排放廢氣中的有害物質大大減少，從測試得到的雙燃料發動機排放指標圖如圖4中可以看出，氮氧化合物減少15%～30%，碳氫化合物減少20%～80%，硫氧化合物減少50%～70%，顆粒物（PM）減少20%～50%，排氣煙度（OPACITY）減少30%～50%，非常有利于環境的保護。

圖4 雙燃料發動機排放指標圖

（3）適應不穩定燃氣供應。GTI系統有較強的氣體兼容性，多種氣體可以供應以滿足使用，只要根據不同的氣體經過簡單的預處理通過調節燃氣功率閥即可滿足使用。另外GTI系統的天然氣壓力較低，只需1～5psig即可，不需要高壓管線，比較安全，管線成本較低。

（4）減少發動機維護，延長發動機使用壽命。燃燒部分天然氣，減少柴油燃燒量，有效減少積碳和顆粒的產生，減少對發動機缸套、活塞環的磨損，延長大修周期和機油更換周期，延長發動機的使用壽命，維護成本低，從而降低壓裂作業的成本。

（5）與純天然氣發動機相比，使用GTI雙燃料系統改造柴油機具有初期成本更低、能適應不穩定燃氣、效率更高、減小體積和重量、減少操作和維護成本等優點。

2.3 使用的主要事項

（1）嚴格控制天然氣的添加量，防止發動機爆震。甲烷的自燃爆炸濃度5%～15%，所以發動機吸入天然氣和空氣的混合的比例要嚴格限制不超過3%，防止發動機爆震，以免造成柴油機“飛車”事故。

（2）做好天然氣的前處理。特別是使用井口氣作為氣源時，做好脫水和除雜質，防止管路堵塞造成供氣不暢，還要做好脫硫處理，防止硫進入發動機氣缸燃燒產生的硫化物對發動機的腐蝕。

3 GTI雙燃料系統在頁巖氣壓裂設備上的應用前景

在美國，GTI系統也正迅速被應用于頁巖氣壓裂作業。由于頁巖氣壓裂每隔80 m左右的距離就要壓裂一次，持續多處壓裂，產生的氣體經處理可以給GTI雙燃料系統供氣，并且輸送管道也不需要高壓，基本與家中天然氣膠管的壓力相當，管線成本也低，適合給壓裂車供氣，延長大修周期和機油更換周期，降低壓裂成本也是十分可觀的。

我國頁巖氣儲量豐富，開發前景非常可觀，配備GTI雙燃料系統的壓裂設備具有更加環保、節能、安全、低成本、延長發動機壽命等特點，對于頁巖氣開發壓裂作業有較大的經濟價值，在我國頁巖氣開發上具有非常好的應用前景。