海洋鉆井平臺用電噴柴油機(jī)防爆技術(shù)研究

孟獻(xiàn)

摘 要：本文主要對海洋鉆井平臺用電噴柴油機(jī)防爆技術(shù)進(jìn)行研究，其在柴油機(jī)排氣系統(tǒng)、廢氣綜合處理系統(tǒng)、智能監(jiān)控報警系統(tǒng)等方面取得了較大突破。經(jīng)處理后，海洋鉆井平臺用電噴柴油機(jī)防爆技術(shù)防爆性能的各項指標(biāo)為：外殼耐壓1.5MPa；阻火器4%～5%丙烷不傳爆；最高表面溫度及排氣溫度≤200℃；火星捕集率100%。該產(chǎn)品滿足API Spec RP505規(guī)范的Ⅰ類2區(qū)要求，并通過國家防爆電氣質(zhì)量檢驗中心（CQST）和中國船級社（CCS）的權(quán)威認(rèn)證。

關(guān)鍵詞：防爆；海洋鉆井平臺；電噴柴油機(jī)

中圖分類號：TD684 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）16-0046-03

Research on Explosion Protection Technology of EFI Diesel

Engine for Offshore Drilling Platform

MENG Xian

Abstracts： This paper mainly studied the explosion proof technology of the electric jet diesel engine for offshore drilling platform， which had made great breakthroughs in the diesel engine exhaust system， the exhaust gas comprehensive treatment system， the intelligent monitoring and alarm system and so on. After treatment， the explosion-proof performance indexes of the marine drilling platform were 1.5MPa， 4% to 5% propane not detonating， the maximum surface temperature and the exhaust temperature were less than 200， and the Martian capture rate was 100%. The product met the type I 2 requirements of the API Spec RP505 specification and was certified by the national explosion-proof electrical quality inspection center （CQST） and the Chinese Classification Society （CCS）.

Keywords： explosion-proof technology；ocean drilling platform；EFI engine

隨著對節(jié)能減排、安全環(huán)保、排放達(dá)標(biāo)等方面的要求不斷提高，直噴柴油機(jī)將逐漸被市場淘汰，國際知名柴油機(jī)生產(chǎn)廠家已經(jīng)停止生產(chǎn)直噴系列柴油機(jī)。電噴柴油機(jī)由于油耗更低、排放更好，取代直噴柴油機(jī)已成為趨勢。

電噴柴油機(jī)在啟動和使用過程中會產(chǎn)生電氣火花、靜電、高溫和廢氣火星等點(diǎn)燃源，與危險區(qū)域的可燃性氣體或蒸汽相遇，會產(chǎn)生爆炸隱患。

海洋鉆井平臺在設(shè)計中，為滿足HSE的要求，在平臺四周部分增加擋風(fēng)墻。造成鉆臺防爆區(qū)域的性質(zhì)發(fā)生變化。當(dāng)擋風(fēng)墻的投影面積大于2/3以上的墻壁，平臺成為半封閉區(qū)域，致使空氣對流不暢，使危險氣體聚集，整個平臺危險區(qū)域劃分發(fā)生了根本性變化，原來的非防爆區(qū)變成了Ⅰ類2區(qū)（有通風(fēng)設(shè)備保證）或全部變成為Ⅰ類1區(qū)。因此，研發(fā)一種具備防爆功能的電噴柴油機(jī)就顯得尤為重要[1]。

南陽二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司對電噴柴油機(jī)防爆技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，并獲得成功，先后為中國海洋石油總公司（以下簡稱“中海油”）、中國石油化工集團(tuán)公司（以下簡稱“中石化”）等國內(nèi)用戶提供多臺防爆電噴柴油機(jī)，解決了電噴柴油機(jī)在海洋鉆井上使用存在的安全隱患，保障了平臺設(shè)備及人員安全，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

1 研究內(nèi)容

本項目以CAT C15柴油機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行防爆技術(shù)研發(fā)，結(jié)合爆炸三要素（點(diǎn)燃源、氧化劑和可燃物），要達(dá)到柴油機(jī)防爆要求，必須阻斷爆炸三要素其中之一。由于空氣（氧化劑）時刻存在，可燃?xì)怏w可能隨時出現(xiàn)，故對電噴柴油機(jī)防爆處理的有效方法是阻斷其點(diǎn)燃源，從而達(dá)到防爆要求。通過對C15柴油機(jī)排氣系統(tǒng)、廢氣綜合處理系統(tǒng)和智能監(jiān)控報警系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)設(shè)計，通過系統(tǒng)優(yōu)化，最終完成樣機(jī)設(shè)計。

1.1 發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)

目前，國內(nèi)外在發(fā)動機(jī)防爆技術(shù)方面還不成熟，防爆處理后功率損失大，且排氣系統(tǒng)經(jīng)常被廢氣中的煙塵阻塞，造成更大功率損失，直至失效[2]。因此，防爆型發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)需要經(jīng)常清洗。針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本項目研制出一種新型防爆型發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)（如圖1所示）。

注：1.隔爆柵；2.發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器；3.冷卻水進(jìn)口；4.水套型三通排氣管；5.冷卻水出口；6.控制系統(tǒng)；7.抽氣機(jī)；8.斗篷型排氣口；9.水箱；10.水位顯示器。

發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)主要由水套型三通排氣管、抽氣機(jī)、水箱、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和控制系統(tǒng)等構(gòu)成。水套型三通排氣管的進(jìn)氣口與發(fā)動機(jī)廢氣出口連接，其中一個排氣口上設(shè)有隔爆柵，另一個排氣口設(shè)有主動抽氣系統(tǒng)。水套型三通排氣管的水套具有冷卻水進(jìn)口和冷卻水出口，冷卻水在水套中流過對三通排氣管進(jìn)行冷卻，起到降低排氣管表面溫度的作用，使排氣管表面達(dá)到Ⅰ類防爆要求。主動抽氣系統(tǒng)由抽氣機(jī)、水箱、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和控制系統(tǒng)組成。抽氣機(jī)的入口與水套型三通排氣管連接，抽氣機(jī)的出口為斗篷型排氣口，斗篷型排氣口伸入水箱中，水浸沒斗篷型排氣口；水箱上設(shè)有水位顯示器，方便觀察水箱內(nèi)的水位情況。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器連接控制系統(tǒng)，利用轉(zhuǎn)速傳感器檢測發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，并通過控制系統(tǒng)運(yùn)算，把發(fā)動機(jī)排氣量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的抽氣機(jī)的轉(zhuǎn)速信號，從而達(dá)到及時抽出廢氣的目的。

該防爆型發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的工作原理：根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV/T=C，燃燒前后氣體狀態(tài)均可測，由此可知發(fā)動機(jī)的實(shí)際排氣總量與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。利用轉(zhuǎn)速傳感器檢測發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，并通過控制系統(tǒng)運(yùn)算，把發(fā)動機(jī)排氣量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的抽氣機(jī)的轉(zhuǎn)速信號，從而達(dá)到及時抽出廢氣的目的。水套起到降低、冷卻排氣管表面的溫度的作用，使排氣管表面達(dá)到Ⅰ類防爆要求。

當(dāng)發(fā)動機(jī)短時間內(nèi)轉(zhuǎn)速變化，會造成排氣系統(tǒng)壓力出現(xiàn)一定程度的不平衡：當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加時，由于抽氣機(jī)響應(yīng)延遲和排氣溫升，造成排氣阻力，這時隔爆柵端成為排氣口，減小對排氣系統(tǒng)的影響；當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低時，由于抽氣機(jī)響應(yīng)延遲和排氣溫度降低，會造成抽氣機(jī)抽氣量大于排氣量，導(dǎo)致排氣系統(tǒng)有一定負(fù)壓，影響發(fā)動機(jī)功率輸出，這時隔爆柵端起到進(jìn)氣作用，減小對排氣系統(tǒng)的影響。采用三通結(jié)構(gòu)的主動抽氣排氣系統(tǒng)，降低了對原排氣系統(tǒng)的影響，減少功率損失。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，抽氣機(jī)能及時抽出廢氣，排氣系統(tǒng)不影響發(fā)動機(jī)功率。

抽氣機(jī)的主動抽氣系統(tǒng)既能起到廢氣降溫、隔爆的雙重作用，還能保證發(fā)動機(jī)功率基本不受影響。經(jīng)計算可知，抽氣機(jī)消耗的功率約為發(fā)動機(jī)功率的3%。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的功率損失小，油耗少；能達(dá)到更高等級的防爆要求，滿足更苛刻的工作條件；排氣系統(tǒng)免清洗，減少停機(jī)損失；噪音低，排放好。

1.2 廢氣綜合處理系統(tǒng)

廢氣綜合處理系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)具有U型結(jié)構(gòu)的冷卻水套，冷卻水套由外殼和內(nèi)殼構(gòu)成，在外殼與內(nèi)殼之間形成冷卻水通道，內(nèi)殼的內(nèi)腔構(gòu)成排廢氣通道。

注：1.外殼；2.阻火器；3.內(nèi)殼；4.冷卻水出口；5.水位控制器；6.水箱；7.水泵；8.進(jìn)水口；9.內(nèi)殼入口；10.冷卻水入口；11.液位計；12.防濺板。

冷卻水套的內(nèi)腔中盛有用于滅火星的水，冷卻水套的外壁上設(shè)有水位控制器，水位控制器的兩側(cè)通過連通管伸入冷卻水套的內(nèi)腔，下端的連通管沒入水中，上端的連通管位于液面之上；水位控制器下端連通有三通管件，三通管件的另兩個出口分別連接有球閥和進(jìn)水電磁閥，進(jìn)水電磁閥由水位控制器控制。

發(fā)動機(jī)工作時，高溫廢氣通過廢氣進(jìn)口進(jìn)入綜合處理系統(tǒng)內(nèi)部，廢氣進(jìn)入后與冷卻水套內(nèi)的水進(jìn)行熱交換。隨著氣體在冷卻水套內(nèi)殼中移動，溫度逐步降低，當(dāng)高速尾氣到達(dá)下部火星熄滅器（水）時，廢氣首先與火星熄滅器內(nèi)水面接觸，可以熄滅其中的火星。為了保證滅火效果，通過控制電磁閥把水箱水注入火星熄滅器內(nèi)部，并保持一定水位。同時，氣體與火星熄滅器內(nèi)水面接觸溫度會進(jìn)一步降低。最后，符合防爆排放要求的廢氣通過阻火器排入大氣。為了保證系統(tǒng)的降溫效果，該系統(tǒng)通過水泵加強(qiáng)循環(huán)，通過抽取水箱內(nèi)的水，泵入冷卻水套進(jìn)水口，經(jīng)過與水套內(nèi)的高溫氣體熱交換，最后流回到水箱。同時，通過雙層水套作用，可以保證廢氣的高溫不會傳導(dǎo)到冷卻水套外殼，保證其表面最高溫度不超過100℃，保證廢氣處理系統(tǒng)外殼溫度達(dá)到T4（135℃）組防爆等級要求。

1.3 防爆監(jiān)控系統(tǒng)

柴油機(jī)所處場所為封閉和半封閉空間，其大部分防爆區(qū)域為Ⅰ類2區(qū)，而在井口、泥漿振動篩、除氣器出口等防爆區(qū)域為Ⅰ類1區(qū)。除了某些傳感器安裝在1區(qū)外，大部分電氣設(shè)備都處于2區(qū)。需要對柴油機(jī)電控及監(jiān)控系統(tǒng)的安全防爆技術(shù)進(jìn)行研究。

防爆柴油機(jī)在出現(xiàn)廢氣冷卻系統(tǒng)水壓過低、潤滑油壓力低、火星熄滅器水位過低、火星熄滅器水位過高、排出氣體溫度過高和柴油機(jī)表面溫度過高等情況時會提供報警信號。上述報警均是為了保證防爆柴油機(jī)在一般故障情況下的安全。同時，Ⅰ區(qū)具備自動停機(jī)保護(hù)功能，除發(fā)出報警信號外，選用的監(jiān)控系統(tǒng)在1min內(nèi)自動停止防爆柴油機(jī)工作。

2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

柴油機(jī)防爆處理技術(shù)研究，主要針對柴油機(jī)的排氣高溫、火星和電火花等點(diǎn)燃源進(jìn)行處理，達(dá)到Ⅰ類2區(qū)防爆要求。其主要具有以下創(chuàng)新點(diǎn)。

2.1 開發(fā)出具有壓力補(bǔ)償功能的排氣系統(tǒng)

國內(nèi)外在柴油機(jī)防爆技術(shù)方面還不成熟，面臨眾多技術(shù)難題，尤其是排氣系統(tǒng)做防爆處理后功率損失大（水基型損失達(dá)20%，隔爆柵型損失15%），同時排氣系統(tǒng)經(jīng)常被廢氣中的煙塵阻塞，會造成更大功率損失，直至失效。常規(guī)防爆型發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)需經(jīng)常清洗（中等工作強(qiáng)度需15天清洗一次）。

本項目開發(fā)的具有壓力補(bǔ)償功能的排氣系統(tǒng)，通過與發(fā)動機(jī)聯(lián)動的渦輪實(shí)現(xiàn)廢氣排放，并通過補(bǔ)償設(shè)備保障排氣系統(tǒng)的平衡，最終達(dá)到廢氣降溫、隔爆的雙重作用，減少柴油機(jī)功率損失（損失約3%），具有免維護(hù)的特點(diǎn)。

2.2 研發(fā)了廢氣綜合處理裝置

柴油機(jī)運(yùn)行時，其機(jī)體局部表面溫度最高達(dá)到500℃，排氣溫度達(dá)到500～600℃，不滿足相應(yīng)防爆等級的要求，必須對其進(jìn)行相應(yīng)處理。

本項目開發(fā)的廢氣處理裝置采用水箱與尾氣冷卻系統(tǒng)的集成化設(shè)計，通過冷卻系統(tǒng)與廢氣的熱交換，達(dá)到降低廢氣溫度的目的。該冷卻系統(tǒng)通過特殊設(shè)計的雙層水套結(jié)構(gòu)保證其表面溫度達(dá)到熱表面的防爆等級（T3溫度等級）要求。

2.3 研制出新型火星熄滅器

柴油機(jī)的廢氣中含有未燃盡的炙熱顆粒（火星），這些顆粒若與外部可燃?xì)怏w相遇，存在爆炸隱患，因此，需要對廢氣中的火星進(jìn)行處理，達(dá)到相應(yīng)的火星捕集率后才能進(jìn)行排放。

針對廢氣中的火星問題，本項目開發(fā)的水基火星熄滅器通過接觸盤實(shí)現(xiàn)火星收集（捕集率達(dá)到100%），并通過冷卻水實(shí)現(xiàn)火星熄滅功能。該火星熄滅器同時具有廢氣降溫、降噪功能。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

產(chǎn)品樣機(jī)需通過第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)對其各項性能指標(biāo)（最高表面溫度、管路爆炸強(qiáng)度、內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆性能、火星熄滅試驗、管路泄露試驗和輸出功率等）的檢驗，性能指標(biāo)滿足海洋平臺Ⅰ類2區(qū)（T3溫度等級）的要求方可使用。

對電噴柴油機(jī)防爆技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)并并獲得成功后，先后為中海油、中石化等用戶提供10多臺防爆電噴柴油機(jī)。經(jīng)現(xiàn)場使用證明，本項目研制的防爆柴油機(jī)性能穩(wěn)定，其表面最高溫度和排氣溫度低于130℃，符合防爆要求；動力性能滿足修井機(jī)提升力需要；報警系統(tǒng)及控制系統(tǒng)工作可靠。其與國外同類產(chǎn)品性能指標(biāo)對比見表1。

本文設(shè)計的防爆電噴柴油機(jī)符合國家關(guān)于易燃易爆場所安全生產(chǎn)的要求。

4 結(jié)論

①海洋鉆井平臺應(yīng)用電噴柴油機(jī)防爆技術(shù)有效解決了電噴柴油機(jī)在啟動和使用過程中產(chǎn)生的電氣火花、靜電、高溫、廢氣火星和機(jī)械火花等點(diǎn)燃源的問題，避免可燃性氣體或蒸汽與空氣混合引起爆炸的隱患，保障作業(yè)安全。

②電噴柴油機(jī)防爆技術(shù)可逐漸替代進(jìn)口防爆柴油機(jī)，以降低采購成本和后期維護(hù)費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張顯力.防爆電氣概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]楊新順，張松，王志忠，等.多缸柴油機(jī)防爆處理技術(shù)研究[J].電氣防爆，2013（1）：25-28.