JY5190TXL20型LNG洗井清蠟車研制與應(yīng)用

張　鵬

(大慶石油管理局 松原機械總廠，吉林 松原 138000)

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JY5190TXL20型LNG洗井清蠟車研制與應(yīng)用

張鵬

(大慶石油管理局 松原機械總廠，吉林 松原 138000)

摘要：傳統(tǒng)的清蠟方式存在能耗高、二氧化碳排放量大、成本高等缺點。研制了新型LNG洗井清蠟車，與傳統(tǒng)燃油和CNG洗井清蠟車相比，具有良好的安全性和經(jīng)濟性。采用LNG為燃料，車上不需要設(shè)置柴油箱，簡化了設(shè)備的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了LNG轉(zhuǎn)化天然氣的供給系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。現(xiàn)場試驗表明，該洗井清蠟車結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、操作方便、性能優(yōu)良，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

關(guān)鍵詞：洗井清蠟車；LNG；傳動系統(tǒng)；燃氣供給系統(tǒng)

LNG作為清潔高效能源，其經(jīng)濟性、環(huán)保性非常明顯。與柴油相比，成本低廉、可節(jié)省費用30%以上，與燃油車相比，LNG汽車有害物質(zhì)排放量降低約85%。LNG作為動力在油田專用車上具有適應(yīng)性[1-2]。

目前東北區(qū)域年產(chǎn)200萬噸LNG項目已經(jīng)在吉林油田正式啟動，吉林油田已經(jīng)在采購系列LNG燃料油田專用車。2014年研制了JY5190TXL20型LNG洗井清蠟車，并通過了車輛公告和產(chǎn)品檢測，為后續(xù)LNG專用車產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。

1技術(shù)分析

1.1結(jié)構(gòu)簡述

JY5190TXL20型LNG洗井清蠟車組裝在重慶紅巖LNG底盤車上，如圖1所示。汽車大梁上裝有型鋼組焊成的金屬附架，由連接座固定在底盤車大梁上，附架前部裝有天然氣發(fā)電機組，發(fā)電機組為燃氣燃燒器和照明供電，燃料取自于底盤車上LNG儲液罐中的液態(tài)天然氣；中部裝有臥式三缸泵；后部裝有鍋爐和燃氣燃燒器，燃氣燃燒器的燃料也來自LNG儲液罐；尾端裝有冷、熱洗兩用的排出管匯。

1—底盤車；2—天然氣發(fā)電機組；3—傳動系統(tǒng)；4—燃氣供給系統(tǒng)；5—三缸柱塞泵；

1.2工作原理

汽車發(fā)動機通過取力器、萬向傳動軸將動力傳至三缸泵實現(xiàn)泵運轉(zhuǎn)。由于采用了天然氣發(fā)電機組和燃氣燃燒器，和柴油洗井清蠟車相比，車上不需要安裝柴油箱，因此減輕了車上部分的質(zhì)量。液態(tài)LNG由儲氣瓶經(jīng)氣化和減壓裝置轉(zhuǎn)變成常溫氣體輸送到發(fā)電機組和燃燒器中，為其提供燃料。

1.3主要技術(shù)參數(shù)

熱洗最高壓力

20MPa

熱洗最高溫度

160 ℃

冷洗最高壓力

35MPa

LNG氣瓶容量

495L×3個氣瓶

工作環(huán)境溫度

-40 ℃～40 ℃

工作時間(熱洗)

蒸汽鍋爐最長連續(xù)工作時間≤3.5h

整車尺寸

9.45m×2.5m×3.4m

整機質(zhì)量

19t

1.4結(jié)構(gòu)特點

1)底盤車選用紅巖CQ5325HTG455T型LNG底盤；發(fā)動機為濰柴動力股份有限公司W(wǎng)P12NG350E40型，功率247kW，轉(zhuǎn)速1900r/min；變速器為陜齒RT-11509C型。越野性能好，承載能力強，能夠滿足作業(yè)井場之間的移運。

2)整機采用車載一體式結(jié)構(gòu)，即三缸泵使用底盤車動力?，F(xiàn)場作業(yè)安裝時無需其他輔助設(shè)備，結(jié)構(gòu)緊湊，移運方便。

3)天然氣發(fā)電機組為控制系統(tǒng)、燃氣燃燒器和照明提供電能。天然氣發(fā)電機組采用康明斯QC-15CW-QT1型天然氣發(fā)電機組，額定功率為15kW，功率因數(shù)0.8(滯后)。其燃料取自于底盤車上的LNG氣瓶。燃氣燃燒器為鍋爐提供熱源，選用TBG160P型(意大利進口百德燃氣燃燒系統(tǒng))，其燃料也取自LNG氣瓶。與柴油洗井清蠟車相比，該設(shè)備不需要安裝柴油箱，不僅增加了車上空間，使得操作和保養(yǎng)更加方便，而且也減少了整車質(zhì)量，使整車移運時動力更加充足。

4)控制系統(tǒng)采用大慶石油管理局松原機械總廠研發(fā)的人機交互系統(tǒng)。通過控制系統(tǒng)的觸摸屏來實現(xiàn)壓力設(shè)定、溫度設(shè)定、點火及大小火設(shè)定、過載設(shè)定、報警設(shè)定等自動控制，提高了洗井操作的安全性，且數(shù)據(jù)讀取方便、直觀、準確。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1傳動系統(tǒng)

該設(shè)備的傳動方式采用機械斷軸取力。汽車發(fā)動機動力經(jīng)離合器、變速器后，經(jīng)傳動軸傳至取力器(四軸箱)后分為2路：一路經(jīng)傳動軸驅(qū)動汽車后橋，用于該車行駛；另一路經(jīng)傳動軸、驅(qū)動三缸柱塞泵，如圖2所示。

2.1.1傳動部件參數(shù)

發(fā)動機型號

WP12NG350E40

額定功率

247kW

額定轉(zhuǎn)速

1 900r/min

變速器型號

陜齒RT-11509C

傳動比

12.36/7.35/5.20/3.77/2.76/

1.95/1.38/1.00/0.73/R12.93

四軸取力器箱減速比

1.533

三缸泵型號

3ZB35/120

型式

三缸單作用柱塞泵

水功率

120kW

最高壓力

35MPa

沖程

150mm

泵內(nèi)減速比

4.5

柱塞直徑

?100mm

1—減速箱傳動軸；2—取力器(四軸箱)；3—三缸泵傳動軸；4—后橋傳動軸；5—三缸泵。

2.1.2泵的工作參數(shù)計算

泵的理論壓力=水功率/理論排量；泵的理論排量=π×柱塞泵半徑2×沖程×沖次×3缸；泵的沖次=發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速/變速器減速比/四軸取力器箱減速比/三缸泵減速比。該計算出來的是理論排量和壓力，實際工作條件下比理論的較低，計算時以清水為介質(zhì)。三缸柱塞泵工作參數(shù)如表1所示。

表1　三缸柱塞泵工作參數(shù)

2.2燃氣供給系統(tǒng)[3]

2.2.1供給流程

LNG是不能直接進入天然氣發(fā)電機組和燃氣燃燒中使用的，必須將LNG轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)天然氣。LNG轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)天然氣流程如圖3所示。

圖3　LNG轉(zhuǎn)變氣態(tài)天然氣流程

LNG從氣瓶出來，經(jīng)過汽化器升溫(發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻液產(chǎn)生的熱能)轉(zhuǎn)化成氣體，經(jīng)過濾清器過濾后，分別進入減壓閥1和減壓閥2。減壓閥1和減壓閥2控制天然氣的壓力，使其穩(wěn)定在燃燒器和發(fā)電機組工作壓力范圍內(nèi)。

1)汽化器。將LNG轉(zhuǎn)化成氣態(tài)氣體。通過熱交換加熱LNG方式，將LNG氣瓶的LNG接入汽化器加熱，同時將LNG發(fā)動機里未經(jīng)散熱的冷卻液接入汽化器腔體，用LNG發(fā)動機的熱能使LNG溫度升高，將LNG汽化成飽和氣態(tài)氣體。

2)電磁閥。設(shè)備只有在作業(yè)時才打開此電磁閥。

3)濾清器。過濾LNG里的細微雜質(zhì)。LNG中不可避免地存在一些微小顆粒、雜質(zhì)，為了避免LNG中的微小顆粒、雜質(zhì)影響發(fā)電機組和燃燒器的正常工作，在LNG發(fā)動機燃氣管路上設(shè)置了濾清器。

4)減壓閥1。將過濾后的燃氣壓力降低到0.037 5～0.060 0MPa，以滿足燃燒器的壓力需求。

5)減壓閥2。將過濾后的燃氣壓力降低到0.001 875～0.003 000MPa，以滿足發(fā)電機組的壓力需求。

2.2.2汽化器的安裝及LNG管路設(shè)計

汽化器一般安裝在汽車(底盤)大梁上，或者布置在氣瓶框架上。汽化器使用發(fā)動機冷卻液來加熱LNG，設(shè)計汽化器支架時，應(yīng)注意汽化器的安裝位置不能高于發(fā)動機散熱器頂部，否則會導(dǎo)致加熱水不能流經(jīng)汽化器，造成汽化器結(jié)冰凍裂故障。

由于液化天然氣的溫度能低至-162 ℃左右，所以LNG發(fā)動機供氣系統(tǒng)中的燃料管路均要求具有耐低溫、耐腐蝕性，具有良好的低溫韌性、可焊接性能。由于管路在低溫下工作，材料的線膨脹系數(shù)要求盡可能小。本設(shè)備的LNG管路選擇純銅管，因為銅的換熱系數(shù)高，換熱效果好，焊接性能好，撓性大，易于成形，在滿足耐低溫、耐腐蝕的性能要求情況下，能消除汽車行駛中產(chǎn)生的振動。管路安裝應(yīng)注意以下事項：

1)固定管路的管夾應(yīng)有低溫要求，低溫管道盡量不要與汽車車架或者其他金屬(碳鋼)零件相接觸。

2)在低溫管路外徑上纏繞一層隔熱材料，以保證低溫管路在-40 ℃工作環(huán)境條件下不結(jié)霜。

3)管路應(yīng)做成S型、O型或者U型，以保證管路起到緩沖作用。

4)裝配天然氣管路時，不得有水滴進入氣管內(nèi)，以防止出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象。

2.3控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)通常采用單片機或是溫控表形式，由單片機組成的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差，故障率高；溫控表組成的控制系統(tǒng)，檢測數(shù)據(jù)量少，控制點數(shù)少。基于此，自行研制了一套控制系統(tǒng)，它是由PLC和觸摸屏(人機界面)組成，不僅解決了單片機和溫控表所帶來的問題，而且使得控制系統(tǒng)更加靈活。

洗井清蠟車系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。PLC以及模擬量模塊將采集到的鍋爐溫度和壓力、燃燒器狀態(tài)和管匯的壓力傳送給觸摸屏，觸摸屏顯示各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)，同時記錄下報警信號，也通過觸摸屏設(shè)定各種參數(shù)的上下限值。PLC根據(jù)鍋爐的壓力和溫度，來控制燃燒器的火的大小。

圖4　控制系統(tǒng)框圖

PLC選擇西門子公司S7-224模塊及模擬量4輸入擴展模塊EM231；觸摸屏選擇西門子TP170A工業(yè)觸摸屏。PLC通過S7-200編程電纜與觸摸屏連接[4]。

3現(xiàn)場試驗

2014-10，JY5190TXL20型LNG洗井清蠟車樣機制造完畢，經(jīng)廠內(nèi)調(diào)試后，在吉林油田乾安采油廠進行了現(xiàn)場試驗。共試驗5口油井，井號分別為情40-30、情42-28、情42-30、情42-32、情42-34。

用LNG洗井清蠟車作業(yè)后，油井上下行載荷及電流數(shù)據(jù)明顯下降，不但滿足熱洗清蠟的要求，而且其他效益非常明顯。

表2～3為LNG洗井清蠟車和柴油洗井清蠟車的洗井費用。在洗井相近的情況下，LNG洗井清蠟車熱效率高，燃料消耗少。柴油洗井清蠟車平均耗油量為57.50L/h，折算費用為￥350元/h；LNG洗井清蠟車平均耗氣量37kg/h，折算費用為￥226.5元/h。節(jié)省燃料費￥124.27元，節(jié)約率35.43%。

表2　LNG洗井清蠟車數(shù)據(jù)

表3　柴油洗井清蠟車數(shù)據(jù)

4結(jié)語

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)高效的清潔能源，是保護大氣環(huán)境的理想燃料，而LNG又是絕好的綠色能源。LNG石油專用車會逐步取代高能耗高污染的燃油石油專用車，提高能源利用率，降低環(huán)境污染，適合可持續(xù)發(fā)展。研制的LNG洗井清臘車具有諸多的優(yōu)點，市場前景廣闊。

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[4]陽勝峰，吳志敏.西門子PLC與變頻器、觸摸屏綜合應(yīng)用教程[M].北京：中國電力出版社，2013.

DevelopmentandApplicationofJY5190TXL20LNGWellFlushing-waxRemovalVehicle

ZHANGPeng

(Songyuan Machinery Factory，Daqing Petroleum Administration，Songyuan 138000，China)

Abstract：Traditional paraffin removal process has the following disadvantages，for an example，more equipment energy consumption，high discharge of CO2，as well as high expenses.JY5190TXL20 LNG well flushing-wax removal vehicle was developer，it has many advantages compared to the equipment use traditional fuel and CNG，and it provides security and economy.Using LNG as fuel，there is no necessity to equip a diesel tank the truck，thus simplifying the structure of the equipment，designing on the system of LNG converting gaseous，and controlling by advanced control system.The field test show that the well flushing-wax removal vehicle is rational in structural design and convenient in field hoisting and strong in the operating capacity，and it provides economy and social benefit.

Keywords：well flushing-wax removal vehicle；LNG；drive system；gas supply system

文章編號：1001-3482(2016)06-0072-05

收稿日期：2015-12-09

作者簡介：張鵬(1982-)，男，工程師，碩士，主要從事石油裝備設(shè)計工作，E-mail：lie-1234@163.com。

中圖分類號：TE935

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.016