鉆井平臺(tái)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)

孫成香，李全武，鄭圣彬，孫樂美，李治朋

（中國(guó)石油集團(tuán) 濟(jì)柴動(dòng)力總廠，山東濟(jì)南250306）

由于全球油氣需求旺盛和原油價(jià)格持續(xù)走高，鉆井動(dòng)力的需求持續(xù)增加。而現(xiàn)有平臺(tái)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)均為進(jìn)口柴油機(jī)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，目前大部分已進(jìn)入老化期；鉆井平臺(tái)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研制將可以替代進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)，充分利用鉆井產(chǎn)生的油田伴生氣，為鉆井平臺(tái)區(qū)域提供性能先進(jìn)、質(zhì)量可靠的發(fā)電設(shè)備。

1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

鉆井平臺(tái)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 總體設(shè)計(jì)

鉆井平臺(tái)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研制開發(fā)是借助我公司多年研制氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)，在消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，自主開發(fā)的一種適用于低壓燃?xì)?、高智能化、熱耗低、可靠性好、低排放、長(zhǎng)壽命的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

為了滿足中國(guó)船級(jí)社CCS的認(rèn)證要求，鉆井平臺(tái)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)過程中，有針對(duì)性地對(duì)重要零部件進(jìn)行了重新計(jì)算與設(shè)計(jì)。

鉆井平臺(tái)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的三維模型設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 鉆井平臺(tái)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)三維圖

3 主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 增壓進(jìn)氣系統(tǒng)

采用先進(jìn)的高壓比、大流量高效增壓器，加大進(jìn)氣管道流通面積，提高進(jìn)氣效率。

發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓進(jìn)氣系統(tǒng)采用了壓氣前混合方式，空氣和燃?xì)舛际潜粔簹鈾C(jī)吸入的。控制系統(tǒng)通過各種傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)（如發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、功率等），計(jì)算出所需要的燃?xì)饬髁?，并通過CAN通訊口把燃?xì)饬髁棵顐魉偷饺細(xì)饬髁靠刂崎y，燃?xì)饬髁靠刂崎y根據(jù)燃?xì)饬髁棵羁刂破溟y門的開度，從而保證了燃?xì)馀c空氣按需要的比例混合。混合后的混合氣通過增壓器壓氣機(jī)作用，使其壓力升高，經(jīng)進(jìn)氣彎管送至高效中冷器，使混合氣溫度降低，密度增大，同時(shí)抑制爆振傾向，再送至機(jī)體內(nèi)進(jìn)氣腔通過進(jìn)氣管道分別達(dá)到各氣缸內(nèi)。

3.2 天然氣供給系統(tǒng)

根據(jù)油田伴生氣的特點(diǎn)及工作環(huán)境，優(yōu)化了燃?xì)夤┙o系統(tǒng)，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)良的動(dòng)力性。燃?xì)夤┙o系統(tǒng)具有過濾、減壓、緊急切斷及安全阻火等功能。

3.3 控制系統(tǒng)

氣體發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力越高，其安全可靠運(yùn)行的空燃比范圍越窄，鉆井平臺(tái)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)采用空燃比閉環(huán)控制技術(shù)對(duì)空燃比進(jìn)行精確控制，達(dá)到高空燃比，從而實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒。因此保證了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)遠(yuǎn)離了爆振區(qū)和失火區(qū)，而且降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的排溫及排放中的NOx的含量，使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到高的排放性能。

3.4 點(diǎn)火系統(tǒng)

對(duì)于增壓稀燃的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，要想在可燃范圍內(nèi)點(diǎn)燃稀薄的天然氣－空氣混合氣，就要相應(yīng)提高點(diǎn)火能量。如果點(diǎn)火能量不足，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)后燃現(xiàn)象嚴(yán)重，出現(xiàn)放炮、排溫過高等現(xiàn)象。采用帶預(yù)燃室的火花塞，電火花先點(diǎn)燃預(yù)燃室內(nèi)氣體產(chǎn)生火焰，火焰從預(yù)燃室噴出點(diǎn)燃?xì)飧左w內(nèi)混合氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸燃燒更加穩(wěn)定，均勻。燃料燃燒更加充分，能有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。

3.5 儀表監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)使用環(huán)境及用戶要求，專門為鉆井平臺(tái)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)了新的儀表監(jiān)控系統(tǒng)，除了在機(jī)旁顯示發(fā)動(dòng)機(jī)的各監(jiān)控參數(shù)外，還具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳報(bào)警功能。通過數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳把發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)通過通訊接口上傳至中央監(jiān)控室，用戶可以隨時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況。

3.6 啟動(dòng)系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)采用壓縮空氣馬達(dá)起動(dòng)，為滿足自動(dòng)化機(jī)組的要求，啟動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足啟動(dòng)前先供油后啟動(dòng)以及停機(jī)后預(yù)供油保護(hù)功能。

4 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)體

機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)，采用高強(qiáng)度鑄鐵整體鑄成，增加龍門高度，提高機(jī)體的抗彎曲能力，兩側(cè)采用橫拉螺栓，將主軸承蓋牢固地與機(jī)體結(jié)合在一起，使機(jī)體整體強(qiáng)度、剛度加強(qiáng)，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 曲軸

曲軸采用優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛造而成，通過對(duì)平衡重精確的計(jì)算和采用三維設(shè)計(jì)，保證曲軸的平衡性；為保證其可靠性，還進(jìn)行了曲軸疲勞強(qiáng)度計(jì)算、船規(guī)計(jì)算和扭振計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明曲軸滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

4.3 活塞

為適應(yīng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特點(diǎn)，綜合考慮抗爆振性和經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)了專用活塞，最終通過試驗(yàn)確定發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比。活塞在設(shè)計(jì)過程中采用了高耐磨性活塞環(huán)結(jié)構(gòu)，提高耐熱性和機(jī)械負(fù)荷性能，從而提高活塞的使用壽命。

4.4 凸輪軸

凸輪軸為分段式結(jié)構(gòu)，由左側(cè)凸輪軸分部件和右側(cè)凸輪軸分部件兩部分組成，每側(cè)凸輪軸由前、后兩段組成，通過法蘭將其連成整根凸輪軸，分別安裝在機(jī)體兩側(cè)的座孔內(nèi)，維修保養(yǎng)非常方便。凸輪軸上按一定方位順序排列的各凸輪，進(jìn)排氣凸輪驅(qū)動(dòng)著滾輪挺柱在挺柱座內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)挺桿及氣缸蓋上的氣門搖臂和搖臂橫橋，定時(shí)地控制著兩個(gè)同名氣門的開閉。

5 臺(tái)架性能試驗(yàn)

2009年我公司嚴(yán)格按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及中國(guó)船級(jí)社CCS的認(rèn)證要求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了型式試驗(yàn)及耐久試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，工作可靠，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì) 要求和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值，并通過了中國(guó)船級(jí)社CCS認(rèn)證。發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性曲線如圖2所示。

圖2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性曲線

6 結(jié)束語

鉆井平臺(tái)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)研制成功，填補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在鉆井平臺(tái)應(yīng)用零的突破，可配套成發(fā)電機(jī)組、壓縮機(jī)組、變矩器機(jī)組或其他動(dòng)力輸出，滿足不同用戶的需求。

鉆井平臺(tái)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)鉆井平臺(tái)環(huán)境具有良好的適用性，滿足平臺(tái)的使用要求。已配套成燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組成功應(yīng)用于中海油采油平臺(tái)。