鉆井平臺爆炸性環(huán)境中柴油發(fā)動機(jī)防爆控制系統(tǒng)方案分析及應(yīng)用

王傳鴻 （中石化四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州434024）

近年來在國內(nèi)陸地及海洋油田作業(yè)現(xiàn)場，以柴油發(fā)動機(jī)作為固井設(shè)備的動力裝置得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在油田作業(yè)的工況下時常會有爆炸性氣體存在的可能，在固井設(shè)備中柴油發(fā)動機(jī)的應(yīng)用可能給現(xiàn)場作業(yè)帶來一定的安全隱患。針對在爆炸性氣體環(huán)境下，為確保柴油發(fā)動機(jī)在油田固井設(shè)備作業(yè)過程中的安全運(yùn)行，避免安全事故的發(fā)生，以GB2 0800．1—2006為參考依據(jù)，對滿足防爆要求的柴油發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)方案進(jìn)行相關(guān)分析。

1 柴油發(fā)動機(jī)點(diǎn)燃危險源

柴油發(fā)動機(jī)的基本工作過程包括進(jìn)氣、壓縮 （進(jìn)油）、爆炸做功以及排氣。爆炸做功時，缸體內(nèi)部會產(chǎn)生6～10MPa的高壓及1800～2200K的高溫，在排氣過程中，燃燒后產(chǎn)生的高溫、高壓廢氣會通過排氣歧管、排氣管道排到周圍環(huán)境中。根據(jù)柴油發(fā)動機(jī)工作原理，分析出其點(diǎn)燃危險源由以下幾部分組成：殼體高溫表面、明火 （排氣口的火星、火花）、機(jī)械摩擦造成靜電集聚釋放、電氣元件等。

1.1 殼體高溫表面的存在

固井設(shè)備配用柴油發(fā)動機(jī)的額定功率通常為349．3kW左右，正常的固井作業(yè)過程中，發(fā)動機(jī)的實(shí)際工作功率通常接近于滿負(fù)荷，且連續(xù)運(yùn)行時間至少在2h以上，殼體表面的溫度就會成為點(diǎn)燃危險源。由于缸蓋、缸體、排氣歧管出口外部均通有循環(huán)冷卻液，冷卻液循環(huán)過程中經(jīng)過散熱風(fēng)扇進(jìn)行散熱，因此缸蓋、缸體的表面溫度都會低于冷卻液的沸騰溫度，排氣煙道出口及表面溫度低于200℃，滿足T3溫度組別要求。

1.2 明火 （排氣口的火星、火花）的存在

柴油機(jī)工作時，發(fā)動機(jī)外部殼體的強(qiáng)度足以承受其內(nèi)部燃料燃燒時的爆炸壓力極限，發(fā)動機(jī)廠家已完成以上功能設(shè)計。當(dāng)燃料燃燒時，如燃燒未完全，可能在排氣歧管處排出帶有火花或火星的廢氣，如外界環(huán)境為爆炸性氣體，很可能導(dǎo)致氣體引燃爆炸。故需在排氣歧管后端及排氣煙道處設(shè)計阻火器，將火星或火花阻止在排氣煙道以內(nèi)，避免以上安全隱患的出現(xiàn)。發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣口有進(jìn)入爆炸性氣體的可能，如爆炸性氣體進(jìn)入氣缸，氣缸內(nèi)的高溫可將危險氣體點(diǎn)燃，如與外界相通的進(jìn)氣口、進(jìn)氣管道、空氣過濾器的管道口，有可能使火星或火花與外界環(huán)境爆炸性氣體接觸，帶來安全隱患，故在管道口及連接面均應(yīng)安裝阻火器。

1.3 機(jī)械摩擦造成的靜電集聚釋放的存在

發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，飛輪通過橡膠皮帶的連接帶動直流發(fā)電機(jī)及散熱風(fēng)扇馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)。皮帶運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生靜電，此外發(fā)動機(jī)外部的塑料連接器件 （如空氣過濾器、進(jìn)氣管路）在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的機(jī)械摩擦也可產(chǎn)生靜電。若靜電集聚很可能產(chǎn)生電弧火花，從而點(diǎn)燃外界環(huán)境爆炸性氣體。故皮帶的材質(zhì)需選擇專用防靜電皮帶，塑料器件與金屬部分的連接面以及發(fā)動機(jī)整個殼體均需要接地，從而有效避免以上安全隱患的發(fā)生。

1.4 電氣元件的防爆性能要求

控制系統(tǒng)選用的全部電氣元件需滿足24V工作電壓的要求?？刂葡到y(tǒng)配用相關(guān)電氣元件如直流發(fā)電機(jī)、電子傳感器、電氣接線箱、電磁閥等均應(yīng)滿足GB 3836相關(guān)防爆標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 發(fā)動機(jī)防爆控制系統(tǒng)

2.1 進(jìn)氣及排氣系統(tǒng)

進(jìn)氣管道需安裝阻火器，阻火器與發(fā)動機(jī)的管道連接部分應(yīng)進(jìn)行防爆處理。在進(jìn)氣過濾器處安裝可燃性氣體探測器，針對固井設(shè)備是危險2區(qū)使用環(huán)境的要求，選用檢測2類可燃性氣體的探測器，在發(fā)動機(jī)接通電源時氣體探測器開始運(yùn)行并通過人機(jī)界面實(shí)時顯示監(jiān)測情況，在發(fā)動機(jī)啟動前或運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，如檢測到進(jìn)氣口有可燃性氣體，控制系統(tǒng)自動關(guān)斷發(fā)動機(jī)進(jìn)氣閥及燃油閥，此時發(fā)動機(jī)無法啟動或熄火。該控制功能可有效防止外界環(huán)境可燃性氣體進(jìn)入發(fā)動機(jī)缸體點(diǎn)燃爆炸，確保發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行。

依據(jù)T3溫度組別的要求，在發(fā)動機(jī)的排氣煙道入口安裝隔爆型溫度開關(guān) （動作點(diǎn)設(shè)置為195℃），即當(dāng)排氣煙道內(nèi)溫度超過195℃時，人機(jī)界面顯示報警信息，同時控制系統(tǒng)自動關(guān)斷發(fā)動機(jī)進(jìn)油閥及進(jìn)氣閥，此時發(fā)動機(jī)熄火，配合排氣煙道內(nèi)安裝的阻火器及火星熄滅器，可防止廢氣中的火星或火花從煙道口排出，點(diǎn)燃外界爆炸性氣體的情況發(fā)生。

2.2 運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測包括冷卻液溫度、機(jī)油壓力、轉(zhuǎn)速。在發(fā)動機(jī)的冷卻液出水管道上安裝隔爆型溫度開關(guān) （動作點(diǎn)設(shè)置為125℃），油管上安裝隔爆型壓力開關(guān) （動作點(diǎn)設(shè)置為0．8bar。1bar＝100kPa），設(shè)置發(fā)動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2100r／min。當(dāng)冷卻液溫度、機(jī)油壓力、轉(zhuǎn)速超過額定值時，人機(jī)界面顯示報警信息，同時控制系統(tǒng)自動關(guān)斷發(fā)動機(jī)進(jìn)油閥及進(jìn)氣閥，此時發(fā)動機(jī)熄火。如發(fā)動機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，將損壞缸蓋、缸體等部件，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)非正常運(yùn)行。防爆控制系統(tǒng)可有效地監(jiān)視運(yùn)行參數(shù)并自動控制發(fā)動機(jī)熄火。

2.3 啟動及停機(jī)系統(tǒng)

固井設(shè)備發(fā)動機(jī)均采用氣馬達(dá)起動方式。發(fā)動機(jī)的停機(jī)控制原理為 “電控氣”的形式，即控制系統(tǒng)發(fā)出電信號給隔爆型電磁閥，電磁閥閥芯動作切斷油門執(zhí)行氣缸的進(jìn)氣源，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)斷發(fā)動機(jī)進(jìn)油，發(fā)動機(jī)熄火的目的，同時發(fā)動機(jī)的停機(jī)狀態(tài)信息顯示在人機(jī)界面上。

依據(jù)發(fā)動機(jī)防爆控制的功能要求，以下情況將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火：檢測到可燃性氣體，冷卻液溫度高，機(jī)油油壓低，排氣溫度高，超速。當(dāng)出現(xiàn)以上情況時，防爆控制系統(tǒng)自動控制發(fā)動機(jī)熄火，相關(guān)報警信息顯示在人機(jī)界面上。

2.4 緊急停機(jī)系統(tǒng)

因發(fā)動機(jī)在燃油切斷的情況下，可能因缸內(nèi)燃油沒有燃燒完畢而繼續(xù)運(yùn)行的情況，如爆炸性氣體持續(xù)進(jìn)入缸內(nèi)，發(fā)動機(jī)則會在沒有燃料的情況下，不斷地燃燒、做功、排氣，這時發(fā)動機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)將不受人為控制。當(dāng)出現(xiàn)以上情況時，控制系統(tǒng)除自動控制發(fā)動機(jī)進(jìn)油閥關(guān)閉外，還將同時控制進(jìn)氣閥關(guān)閉，相關(guān)報警信息同步顯示在人機(jī)界面上。

3 結(jié)語

柴油發(fā)動機(jī)的防爆控制方案主要體現(xiàn)在殼體高溫表面的處理、明火的處理、靜電的消除、電氣元件的防爆處理以及防爆控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)，確保柴油發(fā)動機(jī)在爆炸性氣體環(huán)境下安全可靠運(yùn)行。隨著柴油發(fā)動機(jī)作為固井設(shè)備的動力裝置在國內(nèi)外油田廣泛使用，該防爆控制系統(tǒng)方案也將得到更加廣泛的應(yīng)用及推廣。