壽力1150XH/350型空壓機散熱系統(tǒng)改進(jìn)與應(yīng)用

李建成，朱煥剛，段光輝，楊德京，鄧 霖

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

壽力1150XH/350型空壓機散熱系統(tǒng)改進(jìn)與應(yīng)用

李建成，朱煥剛，段光輝，楊德京，鄧 霖

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

隨著壽力1150XH/350型空壓機使用年限的增長，由于散熱系統(tǒng)工作效率不足所引起的設(shè)備故障問題逐漸增多；并針對壽力1150XH/350型空壓機出現(xiàn)高溫停機等問題，進(jìn)行了存在問題分析，對其散熱系統(tǒng)的冷卻方式、布置方式以及水箱進(jìn)行了改進(jìn)。

氣體鉆井；空壓機；散熱系統(tǒng)；高溫；改進(jìn)

1 引言

氣體鉆井是目前鉆速最快、最經(jīng)濟的鉆井方式之一，具有泥漿鉆井所不具備的諸多優(yōu)點。以氣體作為介質(zhì)，一方面能大幅提高機械鉆度；另一方面作為循環(huán)介質(zhì)的空氣密度低，對井眼形成的壓力較低，在鉆井過程中不存在鉆井液的漏失，能有效解決長段低壓破碎性地層的鉆井液的井漏復(fù)雜問題；同時在預(yù)防壓差卡鉆、發(fā)現(xiàn)和保護(hù)低壓產(chǎn)層及環(huán)保等方面也具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

目前，氣體鉆井在國內(nèi)外應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，中石化、中石油集團(tuán)配套了多套氣體鉆井設(shè)備，其中空壓機是其中最重要的氣體發(fā)生設(shè)備，是保障氣體鉆井成功實施的基礎(chǔ)設(shè)備。2006年底，中石化為勝利油田鉆井工藝研究院引進(jìn)配套了16臺壽力1150XH/350型空壓機，在氣體鉆井作業(yè)中發(fā)揮了巨大作用。但是，空壓機的柴油機在近幾年出現(xiàn)了高溫報警、停機、傳感器測量誤差大以及氣門阻卡等故障，嚴(yán)重影響機器正常運行，明顯增加設(shè)備運行和維修成本［1］；同時空壓機損壞導(dǎo)致停氣操作、處理不當(dāng)將導(dǎo)致卡鉆等井下復(fù)雜情況，影響氣體鉆井的安全實施，也增加氣體鉆井成本。

2 存在問題分析

2.1 壽力1150XH/350型空壓機使用現(xiàn)狀

勝利油田鉆井院的壽力1150XH/350型空壓機額定氣體排量32.5 m3/min，最大排氣壓力2.4 MPa，發(fā)動機為卡特C-15柴油機，功率392.5 kW。該機型在使用初期并未發(fā)生明顯故障，只是在炎熱夏季出現(xiàn)了水溫高（94～96℃）和機體溫度高（105～115℃）等高溫的征兆。自2008年4月到2010年1月，機器普遍出現(xiàn)以下異常情況及故障：

（1）運行參數(shù)異常

現(xiàn)場運行過程中出現(xiàn)水溫（水箱開鍋）、排氣溫度、機油溫度、機體溫度等各參數(shù)的全面系統(tǒng)高溫（如表1所示）。高溫經(jīng)常導(dǎo)致異常停機，夏季白天有3～4個月要靠人工淋水降溫維持運轉(zhuǎn)，特別是新疆等夏季高溫地區(qū)即便在夜間仍需要維持淋水降溫作業(yè)。淋水降溫會引起散熱器片結(jié)垢，導(dǎo)致散熱器散熱效率下降甚至報廢。

（2）油料及元器件失效

空壓機的全面高溫導(dǎo)致機油粘度下降、傳感器提前失效、管線密封失效、線路老化、水箱及油冷器提前損壞等問題。

（3）斷氣門、氣門阻卡故障

炎熱夏季引起高溫停機，并導(dǎo)致驅(qū)動柴油機氣門間隙在短時間內(nèi)（工作200 h左右）顯著減小。一旦發(fā)現(xiàn)不及時，將導(dǎo)致發(fā)生斷氣門等惡性事故。其中共有7臺發(fā)動機出現(xiàn)現(xiàn)場斷氣門故障8次，廠內(nèi)檢修時發(fā)現(xiàn)氣門阻卡4次，并有多臺機器軸瓦磨損處顏色變藍(lán)（高溫產(chǎn)生）以及氣門高溫退火嚴(yán)重彎曲變形的現(xiàn)象。

趙擁軍 男，1964年出生于河南封丘，博士.現(xiàn)為解放軍信息工程大學(xué)導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為雷達(dá)信號處理和陣列信號處理.

2.2 壽力1150XH/350型空壓機高溫原因分析

（1）設(shè)備老化導(dǎo)致散熱效率下降：隨著壽力1150XH/350型空壓機使用年限的增長，其散熱器工作效率自然降低，導(dǎo)致該機型散熱系統(tǒng)的散熱效果變差，系統(tǒng)溫度超標(biāo)，嚴(yán)重影響機器正常運行。

（2）冷卻方式及散熱系統(tǒng)布置方式不適應(yīng)夏季高溫環(huán)境：該機型發(fā)動機冷卻方式為吸風(fēng)冷卻（如圖1所示）。吸風(fēng)式冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣體流動，風(fēng)冷氣流依次經(jīng)過柴油箱、后冷器（空壓機排氣后冷卻器）、中冷器（柴油機進(jìn)氣冷卻器）、油冷器（AWF油冷卻器）、水箱（冷卻液散熱器）、柴油機殼體和空壓機殼體，最后從封閉框架內(nèi)部到達(dá)外部空間。自風(fēng)扇處過來的空氣溫度太高，測試超過110℃，即吸風(fēng)式冷卻造成發(fā)動機冷卻效果較差，機器各項溫度參數(shù)均超標(biāo)或接近上限值，最終導(dǎo)致空壓機出現(xiàn)斷氣門、元器件失效和運行參數(shù)異常等現(xiàn)象。

因此，必須對壽力1150XH/350型空壓機散熱系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，徹底改善其散熱效果，提高空壓機的工作可靠性，消除其因散熱系統(tǒng)問題帶來的嚴(yán)重隱患。

3 系統(tǒng)改進(jìn)措施

3.1 冷卻方式及散熱系統(tǒng)布置方式改進(jìn)

通過存在問題分析可以發(fā)現(xiàn)，吸風(fēng)式的冷卻方式是導(dǎo)致以上設(shè)備故障的主要原因。因此，對壽力1150XH/350型空壓機進(jìn)行了排風(fēng)式散熱系統(tǒng)的改進(jìn)，并優(yōu)選了一種散熱系統(tǒng)的布置方式如圖2所示。此方案采用了排風(fēng)式冷卻風(fēng)扇，并將空壓機后冷器放到了空壓機的前部，水箱調(diào)至散熱器最后端。通過試驗機體溫度大大下降（10～20℃），其它各運行指標(biāo)也都相應(yīng)合格，很好的解決了壽力1150XH/350型空壓機夏季高溫問題。

3.2 水箱的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

圖1 1150XH型空壓機的改造前設(shè)備布置圖

表1 壽力1150XH/350型空壓機夏季運行參數(shù)異常主要 單位：℃

表2 散熱系統(tǒng)改進(jìn)后壽力1150XH/350空壓機的運行參數(shù)表

圖2 1150XH型空壓機的改造后設(shè)備布置圖

圖3 改進(jìn)后的水箱

可調(diào)變散熱面積的水箱是在原水箱的上水室頂端開孔，分別在65%、70%、75%等位置加裝隔板插槽，隔板放置在隔板插槽內(nèi)，隔板放入后，用法蘭將開孔密封。改進(jìn)后的水箱豎向放置，工作時發(fā)動機氣缸蓋上流出溫度較高的熱水進(jìn)入上水室，經(jīng)散熱器芯管冷卻后流入下水室，由出水管流回發(fā)動機氣缸蓋。當(dāng)上水室不放入隔板時，冷卻液可以從圖3所示的A、B方向經(jīng)過散熱芯管，散熱面積最大；當(dāng)在其中一個隔板插槽內(nèi)放入隔板后，隔板右側(cè)的B向水流消失。通過不同位置隔板的插入可以改變散熱器的散熱面積，從而解決發(fā)動機水箱冬季溫度過低問題，保證空壓機在冬季和夏季的全天候工作。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

壽力1150XH/350空壓機在進(jìn)行了冷卻方式改進(jìn)、散熱系統(tǒng)布置方式，以及水箱改進(jìn)后，分別在川東北地區(qū)應(yīng)用8口井，中石化西部新區(qū)應(yīng)用3口井應(yīng)用過程中，空壓機運行參數(shù)合格，未出現(xiàn)高低溫報警、停機，以及氣門阻卡等故障，很好地保障了氣體鉆井的安全順利進(jìn)行。其中具有代表性的4口井的現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)如表2所示。

現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析：

（1）經(jīng)過對散熱系統(tǒng)進(jìn)行排風(fēng)改進(jìn)，空壓機柴油機幾項主要的參數(shù)數(shù)值均在正常值范圍；

（2）新改進(jìn)結(jié)構(gòu)的可調(diào)散熱面積水箱水溫數(shù)據(jù)測試均在正常值范圍內(nèi)，具有對高溫夏季、低溫冬季良好的適用性。

5 結(jié)論

隨著壽力1150XH/350型空壓機使用年限的增長，由于散熱系統(tǒng)工作效率不足所引起的設(shè)備故障問題逐漸增多?，F(xiàn)場應(yīng)用證明對該型空壓機的冷卻方式、散熱系統(tǒng)布置方式以及水箱的改進(jìn)是切實可行的。通過對散熱系統(tǒng)的改進(jìn)確實增強了空壓機對不同季節(jié)環(huán)境溫度的適應(yīng)性，增加了空壓機運行可靠性，降低了故障率和維修成本，保障了氣體鉆井的安全順利進(jìn)行。

［1］李群山.利用空氣干燥裝置提高增壓機二級氣閥壽命［J］.石油礦場機械，2008，37（7）：72-75.

［2］李文華，李蕊蕊，張益祥.改善空壓機運行節(jié)能技術(shù)［J］.煤礦機械，2007，28（8）：173-174.

［3］歐陽焰嘯.關(guān)于空壓機節(jié)能方法的探索 ［J］.環(huán)境保護(hù)，2009，（5）：58-60.

［4］蘭運良.空氣壓縮機技術(shù)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008，10.

［5］邢子文.螺桿壓縮機-理論、設(shè)計及應(yīng)用［M］.北京工業(yè)出版社.

Improvement and Application of Sullair＇s 1150XH/350 Air Compressor Cooling System

LI Jian-cheng，ZHU Huan-gang，DUAN Guang-hui，YANG De-jing，DENG Lin
（Drilling Technology Research Institute of Shengli Petroleum Engineering Corporation Limited，Sinopec，Dongying 257017，China）

With the service life growth of Sullair＇s 1150XH/350 air compressor，equipment failure caused by inadequate cooling system efficiency is gradually increasing.In view of shutdown and other issues due to high-temperature appeared in 1150XH/350 Sullair＇s air compressor，we analyzed the existing problem and improved the cooling type，the arrangements and water tanks.

gas drilling；air compressor；cooling system；high temperature；improvement

TH45；TK414.2+12

B

1006-2971（2014）06-0046-04

李建成（1974-），男，工程碩士，高級工程師，1997年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院礦業(yè)機械專業(yè)?，F(xiàn)從事欠平衡、控制壓力和氣體鉆井技術(shù)研究與推廣工作。E-m a i l：l a n c e l o t 1234@163.c o m

2014-05-28

中國石油化工集團(tuán)公司先導(dǎo)項目“紅1井氣體鉆井技術(shù)應(yīng)用”（S G 12022）