環(huán)境溫度對CAT G3516LE型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)功率影響的研究

＊屈青 劉佳明 趙佳琪

（1.長慶油田公司第四采氣廠 陜西 710000 2.長慶油田公司第三采油廠 寧夏 750000）

環(huán)境溫度對CAT G3516LE型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)功率影響的研究

＊屈青1劉佳明2趙佳琪1

（1.長慶油田公司第四采氣廠 陜西 710000 2.長慶油田公司第三采油廠 寧夏 750000）

天然氣壓縮機(jī)組是集氣站天然氣增壓輸送的關(guān)鍵設(shè)備，而分體式壓縮機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)作為其動(dòng)力裝置，具有高輸出、低排放、高熱效的特點(diǎn)，是日常維護(hù)、維修的重點(diǎn)設(shè)備。本文主要針對第四采氣廠JGT/4-G3516LE型壓縮機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)在秋冬、冬春交替之際，經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、轉(zhuǎn)速波動(dòng)的現(xiàn)象進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況，綜合解析導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降的原因及處置方法，進(jìn)而提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議并得出結(jié)論。

蘇里格氣田；壓縮機(jī)；CAT G3516LE；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

1.概述

JGT/4-G3516LE型往復(fù)壓縮機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)由美國卡特彼勒公司生產(chǎn)，壓縮機(jī)由美國艾瑞爾公司制造，美國艾斯德倫公司成撬。設(shè)計(jì)進(jìn)口壓力1．0MPa，排氣壓力3．5MPa，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500RPM，單臺(tái)機(jī)組排量為50×/d。目前該機(jī)組在我廠配備4臺(tái)，分別安裝于作業(yè)一區(qū)蘇6-7站、蘇36-1站及作業(yè)四區(qū)蘇54-1站。

卡特彼勒G3516LE型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)為JGT/4-G3516LE往復(fù)式壓縮機(jī)組的配套動(dòng)力設(shè)備，此發(fā)動(dòng)機(jī)具有高輸出，低排放，高熱效的特點(diǎn)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用稀薄燃燒的方式，發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣中的燃?xì)夂康停谑拱l(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀拿黠@下降的同時(shí)，熱效率增加，并且燃燒溫度降低，進(jìn)而NOx排放明顯減少，達(dá)到減排的目的。

原因分析

(1)G3516LE型發(fā)動(dòng)機(jī)功率不穩(wěn)定的表現(xiàn)

G3516LE發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率不穩(wěn)定的最直觀表現(xiàn)是轉(zhuǎn)速異常。若發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，輸出轉(zhuǎn)速隨之下降，若輸出功率不穩(wěn)定，會(huì)伴隨著轉(zhuǎn)速的大范圍波動(dòng)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)也會(huì)出現(xiàn)異常，下面將發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出不穩(wěn)定的現(xiàn)場表現(xiàn)進(jìn)行歸納：

①發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降/波動(dòng)，出現(xiàn)“哮喘”現(xiàn)象

一般JGT/4-G3516LE型壓縮機(jī)組正常滿負(fù)荷工作的工況應(yīng)為：進(jìn)氣壓力：1MPa；排氣壓力：2．5MPa-3．0MPa左右；轉(zhuǎn)速：1200-1300轉(zhuǎn)。若發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無法達(dá)到1200-1300轉(zhuǎn)，或轉(zhuǎn)速波動(dòng)大于20轉(zhuǎn)，可以判定此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率異常。

一般在發(fā)動(dòng)機(jī)明顯轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器部位會(huì)發(fā)生“哮喘”現(xiàn)象，此現(xiàn)象是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)加大時(shí)最為常見的伴隨現(xiàn)象，也是最為直觀的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)表象。所謂“哮喘”現(xiàn)象實(shí)質(zhì)是發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出不穩(wěn)，燃料系統(tǒng)需要的空氣量是不穩(wěn)定的，導(dǎo)致渦輪增壓器壓縮的空氣量也在變化，不是一個(gè)穩(wěn)定的值，這樣在轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，渦輪增壓器會(huì)把多余的空氣從空氣濾芯中排放出來，這樣就造成一種類似哮喘的現(xiàn)象。

②參數(shù)異常

針對不同操作人員的對發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷及轉(zhuǎn)速波動(dòng)判斷標(biāo)準(zhǔn)不同，還可通過發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行判斷。發(fā)動(dòng)機(jī)組正常滿負(fù)荷工作的其參數(shù)應(yīng)為：Fuel Valve Cmd（燃?xì)忾y門支配比）：70%左右；IMAP（進(jìn)氣歧管壓力）：180KPa左右；FCF(燃料氣修正因子)：100%左右；Throttle Cmd (油門開度)：50%左右。

FCF是發(fā)動(dòng)機(jī)對自身運(yùn)行工況調(diào)整的一種參數(shù)表征，正常工況下其值應(yīng)為100%左右，但是如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，發(fā)動(dòng)機(jī)自身始終處于調(diào)節(jié)狀態(tài)下，其值就會(huì)在110%以上，經(jīng)常為120%～130%，IMAP值也會(huì)低于正常值。

(2)環(huán)境溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)功率影響的分析

由于G3516LE型發(fā)動(dòng)機(jī)采用稀薄燃燒的方式進(jìn)行燃燒做功。隨著缸內(nèi)平均有效制動(dòng)壓力的增加，稀薄燃燒可控范圍逐漸減小，很容易造成爆燃和失火。正是由于這種燃燒方式，其控制比較困難，如果燃燒控制不合理，將會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出。

其縱坐標(biāo)Lambda為空氣/燃?xì)馄胶庵?，?dāng)Lambda=1時(shí)，氧與易燃物處于合理的化學(xué)燃燒平衡。而Lambda值過低或過高，都會(huì)讓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒處于失火狀態(tài)。G3516LE型發(fā)動(dòng)機(jī)BMEP值為140～160之間，該發(fā)動(dòng)Lambdad有效范圍為1．25至-7．5之間。

可燃混合氣中空氣質(zhì)量與燃料質(zhì)量之比稱為空燃比，空燃比A/F（A-Ari，F(xiàn)-fuel）表示空氣和燃料的混合比，A/F是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的重要參數(shù)，它對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能有很大影響。

根據(jù)活動(dòng)的A/F值等于Lambdad乘以特定的化學(xué)計(jì)算A/F比，可以計(jì)算出G3515LE型發(fā)動(dòng)機(jī)可燃混合氣中空氣含量的波動(dòng)范圍△。

△=7%

根據(jù)理想氣態(tài)方程pV=nRT及密度計(jì)算方程

可以得出：pM=ρRT(M為摩爾質(zhì)量)

那么，空氣密度與溫度成反比。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)可燃?xì)怏w空氣含量波動(dòng)應(yīng)小于7%，則空氣密度及溫度變化波動(dòng)也應(yīng)小于7%。

通過對蘇里格地區(qū)全年氣溫的全年統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)蘇里格地區(qū)平均氣溫為280K（6．8℃），6月-9月份平均氣溫在290K(16．8℃)，12月-2月份平均氣溫在260K（-13℃）。

假設(shè)在蘇里格平均溫度280K（6．8℃）下，對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)試，使其工況最優(yōu)，那么以蘇里格平均溫度為基準(zhǔn)夏計(jì)算，合理工況下溫度變化范圍應(yīng)為：

280K7%≤T≤280K7%得：260．4K≤T≤299．6K

即：-12．75℃≤T≤26．45℃

可以認(rèn)為在環(huán)境溫度280K（6．8℃）下，對發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)節(jié)至最優(yōu)，其溫差適應(yīng)范圍為上升或下降19．65℃，超出這個(gè)變化范圍易發(fā)生失火現(xiàn)象，隨之發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。

由此可以得出低溫環(huán)境下空氣密度越來越高，即空氣濃度會(huì)發(fā)生改變。由于一般無法對空氣密度進(jìn)行測量，所以應(yīng)該記錄每一次調(diào)試發(fā)動(dòng)機(jī)工況至最優(yōu)時(shí)的環(huán)境溫度，以此環(huán)境溫度為標(biāo)準(zhǔn)，變化范圍在7%以內(nèi)，機(jī)組都可以正常運(yùn)行，氣溫變化范圍超過7%，則該機(jī)組的稀薄燃燒將可能超出的最大Lambda控制范圍，這將影響的發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行處于紊亂狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。

3.分析結(jié)果驗(yàn)證及處置措施

由于不同氣溫，空氣密度不同，所以需調(diào)整燃料系統(tǒng)工況，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正?？諝膺M(jìn)氣量正常。而發(fā)動(dòng)機(jī)燃料系統(tǒng)可細(xì)分為燃料氣系統(tǒng)、空氣進(jìn)氣排氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)三大系統(tǒng)，氣溫對燃料氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)均無影響，只對空氣進(jìn)排氣系統(tǒng)有影響，故對空氣進(jìn)排氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

空氣進(jìn)排氣系統(tǒng)中影響發(fā)動(dòng)機(jī)空氣攝取量的部件為廢棄旁通閥。廢氣旁通閥位于排氣通道與渦輪增壓器之間，以控制廢氣通過渦輪增壓器的量來控制發(fā)動(dòng)機(jī)空氣的進(jìn)氣量，通過調(diào)節(jié)廢棄旁通閥可增大、減少空氣攝取量，由于冬季空氣密度高于其他季節(jié)，所以需要減少空氣攝取量，夏季反之。

現(xiàn)場需要9/16的加長套筒來松掉內(nèi)部的鎖緊螺母，再用1/4的加長套筒來調(diào)節(jié)內(nèi)部彈簧壓片的位置。由于目前發(fā)動(dòng)機(jī)在春、秋、夏三季都能夠正常運(yùn)行，因此機(jī)組原工況調(diào)整能夠滿足高氣溫運(yùn)行，對于低氣溫運(yùn)行環(huán)境下需順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，減小廢氣進(jìn)入渦輪增壓器的量，降低空氣吸入量。

調(diào)整廢棄旁通閥，機(jī)組參數(shù)Throttle Cmd值會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變，壓縮機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)Throttle Cmd值必須達(dá)到50%～60%左右，所以調(diào)整到Throttle Cmd值達(dá)到50%～60%時(shí)即可。

2014年低，該廠組織對蘇36-1站、蘇6-7站CAT G3516LE型發(fā)動(dòng)機(jī)廢棄旁通閥進(jìn)行調(diào)整后，機(jī)組再未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)、功率輸出降低的故障現(xiàn)象。

結(jié)論

通過對影響CAT G3516LE型發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出的氣候原因的分析，得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)稀薄燃燒原理及Lambda相關(guān)計(jì)算公式，說明混合氣濃度對發(fā)動(dòng)機(jī)功率的發(fā)揮會(huì)產(chǎn)生影響，混合氣濃度的受控變化范圍為7%，變化范圍超出7%，均會(huì)發(fā)生Rich Misfire及Lean Misfire 兩種失火現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。

(2)可以看出，環(huán)境氣溫與空氣密度成反比，空氣密度隨環(huán)境溫度的下降而逐漸升高，說明環(huán)境溫度的變化是造成CAT G3516LE在環(huán)境氣溫較低時(shí)頻繁出現(xiàn)功率下降、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)故障的主要原因。因此在環(huán)境溫度變化超出上次機(jī)組最優(yōu)空況調(diào)整時(shí)環(huán)境溫度的7%時(shí)，應(yīng)重新對發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)空況進(jìn)行調(diào)整，以滿足該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)組正常運(yùn)行。

(3)日常應(yīng)對每次發(fā)動(dòng)機(jī)空況調(diào)試環(huán)境溫度進(jìn)行記錄，并對環(huán)境溫度變化進(jìn)行檢測，在環(huán)境溫度變化超出上次調(diào)試環(huán)境溫度7%時(shí)，應(yīng)主動(dòng)對發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣進(jìn)氣量。

調(diào)節(jié)方法為：使用9/16英寸的加長套筒松掉渦輪增壓器內(nèi)部的鎖緊螺母，再用1/4英寸的加長套筒來調(diào)節(jié)內(nèi)部彈簧壓片的位置。在環(huán)境溫度比標(biāo)定的氣溫低7%時(shí)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)彈簧壓片，以減小廢氣進(jìn)入渦輪增壓器的量，從而減少空氣的吸入量；在環(huán)境溫度比標(biāo)定的氣溫高7%時(shí)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)彈簧壓片，增大廢氣進(jìn)入渦輪增壓器的量，從而增加空氣的吸入量。旋轉(zhuǎn)彈簧壓片幅度，應(yīng)參照發(fā)動(dòng)機(jī)控制面板參數(shù)，通過調(diào)節(jié)，控制發(fā)動(dòng)Throttle Cmd值穩(wěn)定在50%～60%左右較為合適。

(責(zé)任編輯：孔凡念)

Study of the Influence of Environment Temperature on CAT G3516LE Type of Gas Engine Power

Quqing1, Liu Jiaming2, Zhao Jiaqi1

（1.The No.4 Gas Production Plant, Changqing Oilfeld Company, Shanxi, 710000 2.The No.3 Gas Production Plant, Changqing Oilfeld Company, Ningxia, 750000）

Natural gas compressor unit is the key device for the pressurized transportation of natural gas in gas gathering station and the engine of split type of compressor unit, as the power device, has the features of high output, low discharging and high thermal effciency besides, it is the key device for daily maintenance and repairing. In this paper, it has taken analysis of the problems of engine power decrease and revolving speed fuctuation for JGT/4-G3516LE type of compressor unit engine of the No. 4 gas production plant in the seasonal alteration period of autumn and winter, winter and spring, besides, combing with the practical operation situation on-the-spot, it has taken comprehensive analysis of the reasons and disposal methods for engine power decrease, further more, it has put forward the corresponding improvement suggestion, fnally got the conclusion.

sulige gas feld；compressor；CAT G3516LE；engine speed1

TE < class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A

屈青（1988～)，男，長慶油田公司第四采氣廠；研究方向：采氣工藝。