Perkins4000 系列天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中修探討

徐太貴，葛倩冰，折 明

（中油國際管道有限公司，北京 100028）

0 引言

Perkins4000 系列發(fā)動(dòng)機(jī)是以Dorman 柴油機(jī)公司成功的SE系列柴油機(jī)和火花點(diǎn)火氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的。4000 系列發(fā)動(dòng)機(jī)包括直列6、8 缸機(jī)以及60°V 形12/16 缸機(jī)，渦輪增壓，缸徑160 mm，行程190 mm。該系列發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)是：氣缸蓋的4個(gè)氣門表面鍍斯太立特硬質(zhì)合金；油道冷卻活塞的頂環(huán)槽表面鍍鎳，降低了它與不規(guī)則四邊形頂環(huán)之間的磨損；錐形活塞銷襯套增大了承載面積；曲軸箱檢查孔蓋便于保養(yǎng)和維修[1]。

1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)簡介

1.1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)按照燃料燃燒所處的位置分為內(nèi)燃機(jī)和外燃機(jī)兩大類[2]。啟動(dòng)時(shí)通過人力或者其他動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸使活塞在頂部密閉的氣缸中作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊谶\(yùn)動(dòng)中完成四個(gè)行程：進(jìn)氣行程、壓縮行程、燃燒和做功（膨脹）行程以及排氣行程。當(dāng)活塞由上向下運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)氣門打開，經(jīng)空氣濾清器過濾的新鮮空氣進(jìn)入氣缸完成進(jìn)氣行程?；钊上孪蛏线\(yùn)動(dòng)，進(jìn)排氣門都關(guān)閉，空氣被壓縮，溫度和壓力增高，完成壓縮過程。活塞將要到達(dá)頂點(diǎn)時(shí)，電子點(diǎn)火系統(tǒng)自動(dòng)點(diǎn)燃天然氣和空氣的混合氣，燃燒形成的高壓推動(dòng)活塞向下做功，推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，完成做功行程。做功行程結(jié)束后，活塞由下向上移動(dòng)，排氣門打開排氣，完成排氣行程[3]。每個(gè)行程曲軸旋轉(zhuǎn)半圈。各氣缸按一定順序依次做功，作用在活塞上的推力經(jīng)過連桿變成了推動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的力，從而帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。經(jīng)若干工作循環(huán)后，發(fā)動(dòng)機(jī)在飛輪的慣性下逐漸加速進(jìn)入工作狀況。

1.2 Perkins4000 系列發(fā)動(dòng)機(jī)簡介

Perkins4000 系列以功率強(qiáng)大著稱，Perkins 多年來對此系列產(chǎn)品投入巨資，令其性能不斷提升。4000 系列發(fā)動(dòng)機(jī)初期廣泛用作配套備用發(fā)電設(shè)備，經(jīng)過持續(xù)優(yōu)化工作，此系列現(xiàn)在更深受原設(shè)備制造商和終端用戶歡迎，將其視為常用發(fā)電設(shè)備的首選動(dòng)力。Perkins 4000 系列發(fā)動(dòng)機(jī)不但結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、耐用，其穩(wěn)定性能更可保證時(shí)刻都有源源不斷的電力供應(yīng)。即使是最嚴(yán)峻的操作條件下都能勝任，被證實(shí)是常用發(fā)電設(shè)備的可靠動(dòng)力源。

自此系列面世以來，Perkins 已為全球最大型企業(yè)制造超過5萬臺4000 系列發(fā)動(dòng)機(jī)，其中30%是用來配裝常用發(fā)電機(jī)組。穩(wěn)定供電對保障生產(chǎn)生活最為關(guān)鍵。作為可靠性最高的發(fā)電動(dòng)力方案，4000 系列發(fā)動(dòng)機(jī)能確保全年365 d、每天24 h 給與動(dòng)力支持[4]。

2 某輸油站場天然氣發(fā)電機(jī)簡介

2.1 Wilson 天然氣發(fā)電機(jī)簡介

天然氣發(fā)電機(jī)是一種以天然氣等可燃?xì)怏w為燃燒物的往復(fù)式活塞式內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力的新型高效的發(fā)電機(jī)[5]。由于其具有輸出功率范圍廣、排放污染低、運(yùn)行可靠高、體積小等優(yōu)點(diǎn)[6]，且適合于天然氣資源比較豐富的地區(qū)采用，因此天然氣發(fā)電機(jī)具有廣泛的應(yīng)用前景[7]。某輸油站場地處偏遠(yuǎn)山區(qū)且無外電接入，但其周邊有豐富可靠的天然氣來源，故在設(shè)計(jì)之初選擇3 臺Wilson 廠家生產(chǎn)的PG345B3 型天然氣發(fā)電機(jī)組作為輸油站場生產(chǎn)和生活供電來源[8]。該發(fā)電機(jī)是由Perkins 發(fā)動(dòng)機(jī)、Leroy Somer發(fā)電機(jī)和奇才EASYGEN-3000 智能并機(jī)控制系統(tǒng)組成，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)使用柔性連接，并安裝在公共底架上，最終由Wilson 廠家成撬組裝。Perkins4000 系列發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：發(fā)動(dòng)機(jī)型號為Perkins4006-23TRS1，總功率為322 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)為6 缸，直列L 形排列，氣缸容積為22.92 L，缸徑為160 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)沖程為190 mm，活塞速度9.5 m/s，耗氣量為80 L/h，壓縮比為12∶1，采用渦輪增壓進(jìn)氣方式。

2.2 天然氣發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間及維修情況

某輸油站場于2014 年9 月建成，3 臺發(fā)電機(jī)組正式投入使用。截至2020 年1 月31 日，3 臺Wilson 天然氣發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間及中修時(shí)間如表1。

表1 某輸油站場3 臺天然氣發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間及中修時(shí)間

某輸油站場3 臺Wilson 天然氣發(fā)電機(jī)組從投產(chǎn)截至目前，均按照《Perkins 4006TRS 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)保養(yǎng)手冊》標(biāo)準(zhǔn)按時(shí)進(jìn)行500 h、1000 h、2000 h、4000 h、8000 h 維保，未發(fā)現(xiàn)重大故障。下面以某輸油站場GG03 發(fā)電機(jī)的Perkins4006-23TRS1 發(fā)動(dòng)機(jī)的中修為例進(jìn)行剖析。

3 Perkins4006 發(fā)動(dòng)機(jī)中修發(fā)現(xiàn)的問題及數(shù)據(jù)檢測

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頂部及缸套周圍處積碳

積碳的主要成分是燃料燃燒后形成的氧化物，其對發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行有很大的影響。過量的積碳導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸及活塞散熱性能下降，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度較正常溫度會(huì)升高30～40 ℃，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和缸套之間的潤滑，加劇活塞環(huán)的磨損，是導(dǎo)致缸套損壞的原因之一；由于排氣溫度的升高，使得渦輪增壓器動(dòng)力端的進(jìn)氣溫度也隨之升高，長期運(yùn)行則會(huì)降低渦輪增壓器的使用壽命；同時(shí)，缸溫的升高，容易引起發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃現(xiàn)象的產(chǎn)生；粘附在進(jìn)排氣門上的積碳，加劇了氣門磨損，使得氣門密封遭到破壞，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力降低，燃料燃燒熱值下降，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。中修前，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頂部及缸套周圍處積碳嚴(yán)重，厚度達(dá)1～2 mm。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋積碳

氣缸蓋表面粘附了大量積碳，厚度達(dá)0.5～1 mm。氣缸蓋上粘附的積碳影響了氣缸的散熱性能。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸頸尺寸檢測

采用外徑千分尺工具對連桿軸頸尺寸進(jìn)行檢測，參照《Perkins 發(fā)動(dòng)機(jī)維修手冊》所提供的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)見表2。連桿軸頸磨損較小，在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，滿足使用要求。

表2 連桿軸頸尺寸數(shù)據(jù)檢測表 mm

3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸瓦內(nèi)徑尺寸檢測

采用內(nèi)徑百分表工具對連桿軸瓦內(nèi)徑尺寸進(jìn)行檢測，參照《Perkins 發(fā)動(dòng)機(jī)維修手冊》所提供的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)6 副連桿大頭瓦磨損雖未超過允許最大值，但均出現(xiàn)了不同程度的磨損劃痕，為保證運(yùn)行安全對其進(jìn)行更換，安裝6 副新瓦，經(jīng)檢測數(shù)據(jù)見表3，6 副新瓦經(jīng)檢測，在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，滿足使用要求。

表3 連桿軸瓦（新瓦）內(nèi)徑尺寸數(shù)據(jù)檢測表 mm

3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿襯套尺寸檢測

采用內(nèi)徑百分表工具對連桿襯套尺寸進(jìn)行檢測，參照《Perkins 發(fā)動(dòng)機(jī)維修手冊》所提供的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)見表4。

表4 連桿襯套尺寸數(shù)據(jù)檢測表 mm

連桿襯套磨損較小，在允許值范圍內(nèi)，滿足使用條件。

3.6 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷磨損量檢測

采用外徑千分尺工具對活塞銷磨損量進(jìn)行檢測，參照《Perkins 發(fā)動(dòng)機(jī)維修手冊》所提供的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)見表5，活塞銷磨損量在允許值范圍內(nèi)，滿足機(jī)組使用要求。

表5 活塞銷數(shù)據(jù)檢測表 mm

3.7 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)環(huán)間隙檢測

采用塞尺工具檢測活塞環(huán)環(huán)間隙，參照《Perkins 發(fā)動(dòng)機(jī)維修手冊》所提供的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)見表6，活塞環(huán)環(huán)間隙正常，滿足機(jī)組使用要求。

表6 活塞環(huán)環(huán)間隙數(shù)據(jù)檢測表 mm

3.8 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)側(cè)間隙檢測

采用塞尺工具檢測活塞環(huán)側(cè)間隙，參照《Perkins 發(fā)動(dòng)機(jī)維修手冊》所提供的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)見表7，活塞環(huán)側(cè)間隙正常，滿足機(jī)組使用要求。

表7 活塞環(huán)側(cè)間隙數(shù)據(jù)檢測表 mm

3.9 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)厚度檢測

采用游標(biāo)卡尺工具檢查活塞環(huán)厚度，以便檢查活塞環(huán)磨損情況，參照《Perkins 發(fā)動(dòng)機(jī)維修手冊》所提供的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)見表8，活塞環(huán)厚度正常，磨損情況正常，滿足機(jī)組使用要求。

表8 活塞環(huán)厚度數(shù)據(jù)檢測表 mm

采用塞尺工具檢查氣門間隙，參照《Perkins 發(fā)動(dòng)機(jī)維修手冊》所提供的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)見表9。

表9 氣門間隙數(shù)據(jù)檢測表 mm

由于氣門及氣門導(dǎo)管部件是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中密封燃燒室和控制內(nèi)燃機(jī)氣體交換的精密零件，其工作環(huán)境也比較惡劣，長期在600 ℃以上的高溫環(huán)境中工作，還得承受反復(fù)的沖擊載荷，如此長期會(huì)加速其磨損[9]，因此針對氣門間隙的調(diào)整，務(wù)必按照標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格執(zhí)行。此次中修保養(yǎng)前均大于正常值，待調(diào)整到正常使用要求值，滿足機(jī)組使用要求。

3.10 發(fā)動(dòng)機(jī)其他部件

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)其他中修更換清潔部件，例如火花塞、機(jī)油濾芯、空氣濾芯、曲軸箱呼吸閥、電磁充電機(jī)等，均按照中修標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行更換；文丘里管、渦輪增壓器、中冷器、啟動(dòng)馬達(dá)、潤滑油泵等均按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行清潔，如果部件磨損嚴(yán)重，可進(jìn)行更換。其中火花塞需要特別注意，采集火花塞進(jìn)行分析，如果火花塞前端絲扣有少許機(jī)油，則需要去檢查氣門導(dǎo)管和油封[10]。

4 結(jié)論

某輸油站場GG03Wilson 天然氣發(fā)電機(jī)在中修前多次出現(xiàn)不能正常啟機(jī)，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在喘振的現(xiàn)象，經(jīng)過此次發(fā)動(dòng)機(jī)中修，發(fā)現(xiàn)了缸頭和氣缸、活塞環(huán)做功燃燒位置均出現(xiàn)了不同程度的大量積碳，厚度最大可達(dá)2 mm，部分氣門與氣門座出現(xiàn)了腐蝕麻坑，造成做功時(shí)氣門密封不嚴(yán)，以上兩點(diǎn)將會(huì)嚴(yán)重的影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與性能，造成發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、排氣溫度過高等問題。由于積碳過多同時(shí)也會(huì)間接的造成火花塞點(diǎn)火不良與發(fā)動(dòng)機(jī)爆震等現(xiàn)象，對發(fā)動(dòng)機(jī)的工況與重要部件的使用壽命造成嚴(yán)重影響。

此次Perkins4006-23TRS1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的中修給Perkins4000 系列發(fā)動(dòng)機(jī)中修及其他維護(hù)保養(yǎng)提供了參考。