摘 要

摘　要：美國Ahronic公司開發(fā)的GTI Bi-fuel混合燃料技術通過在發(fā)動機空氣濾清器和渦輪增壓器之間安裝混合器，將天然氣引入發(fā)動機，實現(xiàn)了2種燃料(柴油／天然氣)在發(fā)動機燃燒室內(nèi)同

摘　要：美國Ahronic公司開發(fā)的GTI Bi-fuel混合燃料技術通過在發(fā)動機空氣濾清器和渦輪增壓器之間安裝混合器，將天然氣引入發(fā)動機，實現(xiàn)了2種燃料(柴油／天然氣)在發(fā)動機燃燒室內(nèi)同時燃燒。塔里木盆地具有豐富的天然氣資源，中國石油塔里木油田公司引進GTI混合燃料技術用于深井石油鉆井是降低鉆井成本、保護環(huán)境的較好方式之一。為此，對國產(chǎn)2種動力機組進行了改造，并試驗研究混合燃料系統(tǒng)本身的操作性能，混合燃料運行對機組的影響，考察其是否滿足鉆井工況的要求適用性。結果表明，只要柴油機組在全柴油狀態(tài)下能承擔鉆井作業(yè)要求，柴油機組在混合燃料狀態(tài)下同樣能完成。柴油替代率在30％～60％時，各種工況都能達到較好的機組性能和經(jīng)濟效益。GTI技術應用2a時間，已經(jīng)在21個鉆井隊使用了天然氣935×10⁴m³，應用井數(shù)40口。GTI技術具有良好的經(jīng)濟效益，安全、可靠，推廣價值高。

關鍵詞：GTI混合燃料技術  深井鉆機  動力機組改造  適用性試驗  現(xiàn)場應用  節(jié)能減排  環(huán)境保護

Application of the Altronic GTI Bi-Fuel system to engine power supply for deep drilling rigs in Tarim oil／gas fields

Abstract：The Ahronic GTI Bi-Fuel system utilizes a fumigation gas delivery method whereby gas is delivered to the cvlinders via the standard engine air intake system and is then ignited by a diesel“pilot”which acts as an ignition source for the air-gas mixture and operates by blending diesel fuel and natural gas or propane in the combustion chamber．The introduction of the GTI Bi-Fuel svstem into deep well drilling enables the PetroChina Tarim Company to substantially reduce operating costs and lower emissions．Therefore,pilot tests were performed on the performance of the GTI Bi-Fuel system and its effect on the two doraestic engine units in order to determine if this Bi-Fuel System is capable of meeting the engine requirement in deep well drilling．Over the past two vears，the GTI Bi-Fuel system has been applied by 21 drilling crews in 40 wells with a total conSklmed natural gas of 9，350 thousand m³．The application resuhs demonstrate the perfect performance of the GTI Bi-Fuel system on the improveiTlent of engine efficiency；and the conversion to GTI Bi Fuel allows the engine to operate on natural gas mixtures of up to 30-60％of total fuel consumed．This case history proves that the GTI Bi-Fuel System is highly worth popularizing because of its economic benefit，safety and reliability．

Keywords：Ahronic GTI Bi-Fuel system，deep drilling rig，engine power．field application，energy saving and emission reduction，environmental protection,Tarim Basin

1　GTI混合燃料技術原理

GTI混合燃料技術是利用美國Altronic公司生產(chǎn)的GTI混合燃料系統(tǒng)對柴油機進行改造的技術^[1]。經(jīng)GTI混合燃料技術改造的混合燃料發(fā)電機組，能夠同時燃燒柴油和天然氣。被改造的機組在啟動和怠速時按純柴油工作方式運行，達到混燃條件后進入混合燃料運行模式。GTI混合燃料控制系統(tǒng)允許原柴油機監(jiān)控系統(tǒng)控制柴油機的轉速，在恒定的負載下，由于額外吸入了天然氣，柴油機燃料超出需要，柴油機的轉速輕微增加，為了保持熱值平衡和設定的轉速，監(jiān)控器會迅速調(diào)節(jié)減少噴油量，從而實現(xiàn)天然氣對柴油的替代。反之，當已達平衡狀態(tài)后天然氣供給減少時，柴油機監(jiān)控器會迅速實時動態(tài)地調(diào)節(jié)噴油量，建立新的燃油供給平衡，保持設定轉速，維持柴油機正常運行。

1．1　系統(tǒng)組成

GTI混合燃料系統(tǒng)主要由3部分組成^[2-4]，即供氣閥組、傳感器組、控制柜(圖1)。

 

1．1．1供氣閥組

供氣閥組主要由過濾器、減壓閥、切斷閥和功率閥組成。

1．1．2傳感器組

用于檢測系統(tǒng)的各項運行參數(shù)。

1．1．3控制柜

用于監(jiān)控系統(tǒng)各項運行參數(shù)，同時可以實現(xiàn)混合燃料模式切換、閉環(huán)自動控制、遠程監(jiān)控等功能。

1．2　系統(tǒng)特點

GTI混合燃料系統(tǒng)對原有柴油機組的改動很小，同時易于安裝，保護系統(tǒng)與原柴油機保護系統(tǒng)完全獨立，系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可不間斷完全切換為l00％柴油機運行狀態(tài)，保證機組正常工作。其機組在保持額定轉速和負荷時，柴油的替代率可達到70％。同時，天然氣運轉可減少柴油機積碳，延長機組保養(yǎng)區(qū)間及機組運轉壽命，降低機組大修成本。

1．3　鉆機動力機組改造

天然氣經(jīng)過安裝在柴油機空氣過濾器和渦輪增壓器之間的混合器進入氣缸參與燃燒，經(jīng)改造后的混合燃料發(fā)動機能維持柴油機相同的性能。混合燃料發(fā)動機可以在100％柴油模式和混合燃料模式之間自由切換，并且維持轉速和負荷不變。

1．3．1混合器

安裝在原柴油機的空濾和渦輪增壓器之間，空氣經(jīng)過混合器之后形成一個低壓擾動區(qū)。該低壓擾動區(qū)有利于空氣和天然氣的高度混合?；旌掀鹘Y構及安裝位置如圖2所示。

 

1．3．2燃氣閥組

由天然氣流量調(diào)節(jié)閥、緊急切斷閥、壓力凋肯器和過濾器組成(圖3)。過濾器用于濾除天然氣中的污染物以保護系統(tǒng)和柴油機；壓力調(diào)節(jié)器可以監(jiān)測柴油機負載增減引起的柴油機真空度變化，從而保持設定的天然氣進氣壓力。緊急切斷閥內(nèi)部包含2個相互獨立的“常閉”狀態(tài)的閥門。天然氣流量調(diào)節(jié)閥用于控制給定負載時的天然氣流量，可用于設定天然氣／柴油替代率。

 

1．4　控制和監(jiān)控柴油機運行參數(shù)

控制器根據(jù)各種傳感器監(jiān)測到的運行參數(shù)和事先在控制器中設置好的參數(shù)工作范圍，判斷運行參數(shù)是否超過設定值，進而決定是否關閉混合燃料模式。當控制器監(jiān)測到運行參數(shù)超過設定值后會自動關閉混合燃料模式，使混合燃料柴油機轉換到l00％柴油模式下運行?？刂破鞅O(jiān)測的主要參數(shù)包括排氣溫度、進氣溫度、進氣壓力、發(fā)動機真空度、氣缸振動、供氣壓力、壓力調(diào)節(jié)器出口壓力等，其中排氣溫度和振動最能體現(xiàn)混合燃料柴油機運行性能的參數(shù)。

2　深井鉆機適用性試驗研究

2．1　在CAT3512A機組上的應用試驗

1)試驗內(nèi)容：混合燃料系統(tǒng)本身的操作性能^[5-7]；混合燃料運行對機組的影響；混合燃料運行是否滿足鉆井工況的要求；混合燃料運行的經(jīng)濟性試驗。

2)排溫和振動試驗分析。試驗功率為450kw，柴油機在柴油、混燃模式下運行300min(替代率33.81％)，排溫和振動^[8-10]試驗結果相差不大(圖4、5)。

 

 

3)提空游車適用性試驗結果分析。試驗井深4000m，單機功率從l00kW突加至230kW，發(fā)電機組在雙燃料模式下頻率波動0.2％，相對于柴油模式0.2％的頻率波動，無影響。起鉆試驗單機功率從l00kW突加至430kW，發(fā)電機組在雙燃料模式下頻率波動1.53％，相對于柴油模式1.2％的頻率波動有所增加，但不影響鉆井工作，試驗結果如表1所示。

 

4)切換模式對比分析。分別在500kW、600kW和650kW 3種工況下，進行天然氣切斷時的響應測試，最大頻率偏差2.27％，小于國家標準5％。分別在500kW(替代率55％)、600kW(替代率60％)和650kW(替代率65％)工況下，GTI機組頻率增加均沒有超過l％。試驗結果表2所示。

 

5)GTI技術在CAT3512A機組適用性試驗結論。在鉆進、起下鉆等工況下，進行的120h試驗和27d試運行，柴油機在GTI模式運行，排溫、振動等參數(shù)與柴油狀態(tài)相近，在安全范圍之內(nèi)。切換試驗表明機組響應快速，對鉆井作業(yè)基本沒有影響。試驗條件下，替代率為57.64％，油氣當量為1.16時，燃料費用最低。

2．2　在CAT3512B機組上的應用試驗

在10口井的試驗中，GTI混合燃料技術基本能滿足各個工況下鉆機對柴油機動力的需求，對突加負荷的滿足能力較強，當運行參數(shù)超過設定的安全值，能立即平穩(wěn)地轉為純柴油模式，保證動力供給的連續(xù)性。起下鉆工況下，4號柴油機最低排溫511℃，最高排溫576℃，均在安全范圍內(nèi)。其排溫曲線和振動變化如圖6、7所示。

 

 

2．3　在濟柴190型機組上的應用試驗

鉆機在各種工況下主要參數(shù)均在安全值以內(nèi)(排氣溫度小于等于650℃，發(fā)動機出水溫度小于等于90℃。試驗對比分析結果如表3所示。

 

適用性試驗結論為：環(huán)境溫度較高時，發(fā)動機的排氣溫度和出水溫度均比純柴油的高，且出水溫度接近或超過報警值90℃；使用GTI的濟柴機組完全滿足正常鉆進、提空游車、啟動鉆井泵、起下鉆等工況，司鉆操作方法與純柴油相同；GTI保護比較完善，在參數(shù)超過報警值時，會自動切換成純柴油模式。

3　深井鉆機動力機組的應用

3．1　適用性應用分析

3．1．1技術可行性

GTI混合燃料技術在CAT機組、濟柴190型機組上具有良好的可操作性，技術成熟，基本上能滿足在各種工況下鉆機對動力的需求，機組排溫、振動均在安全范圍以內(nèi)，具有良好的技術可行性。

3．1．2對動力機組的影響

柴油機組在混合燃料狀態(tài)運行時，機組運行的各項參數(shù)與柴油機標定參數(shù)相近，在啟動、關閉等過程，發(fā)動機運行平穩(wěn)，無異常。當負荷過低時，機組混燃模式下的排溫略高于純柴油模式，但仍在安全范圍以內(nèi)，不對柴油機組的運行造成影響。

3．1．3對鉆井工藝的影響

GTI混合燃料技術能夠滿足鉆井作業(yè)過程中大部分工況的要求，在低負荷時，柴油機排溫升高，此時可以將GTI混合燃料模式轉換到純柴油模式。

3．2　應用規(guī)模

GTI混合燃料技術性能穩(wěn)定，安全性高，具有良好的經(jīng)濟效益。目前，GTI技術應用21個鉆井隊，應用井數(shù)40口，累計用氣量達935×10⁴m³。GTI混合燃料技術應用情況如表4所示。

 

3．3　經(jīng)濟效益與環(huán)保分析

1)經(jīng)濟效益。根據(jù)現(xiàn)場適用性試驗結果分析，綜合各工況特點使用1m³天然氣可以替代0.8L柴油^[11-13]；設天然氣4.75元／m³、柴油7.25元／L，每使用lm³天然氣可以節(jié)約人民幣1元。可有效降低鉆井成本。

2)環(huán)境保護。使用天然氣后能夠有效降低大氣污染物的排放量。根據(jù)當前已經(jīng)使用的天然氣數(shù)量，減排情況如表5所示。

 

4　結論

1)現(xiàn)場試驗表明，GTI混合燃料技術在機組本身性能、鉆井工況的適應性、安全性等方面均能滿足現(xiàn)場鉆井作業(yè)要求，完全能夠適用于深井鉆井，柴油替代率在30％～60％時，各種工況下都能達到較好的機組性能和經(jīng)濟效益。

2)使用過程中，中高負荷工況下，GTI混合燃料技術具有良好的經(jīng)濟效益，能為井隊節(jié)約成本，其他工況時，井隊可以選擇停用混合燃料技術，改用純柴油模式，節(jié)約鉆井成本。

3)在同等負荷下，GTI混合燃料發(fā)動機的排煙明顯好于純柴油模式下發(fā)動機的排煙狀況，同時有效地減少大氣污染物的排放量，實現(xiàn)節(jié)能減排。該技術具有良好的推廣價值。

 

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本文作者：李循跡  龍平  熊繼有  宣培傳  侯秉仁

作者單位：中國石油塔里木油田公司

  “油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學

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