一種節(jié)油裝置在油田鉆井柴油機(jī)中的應(yīng)用研究

孫栓 張忠元 王澤勝 李帥 張文強(qiáng)

摘要：油田直驅(qū)鉆井柴油機(jī)在工作過程中低負(fù)荷工況占比較高，此工況的油耗比經(jīng)濟(jì)區(qū)高約25%，而此時(shí)風(fēng)扇功率占比較大且存在散熱冗余。通過在柴油機(jī)自由端安裝液力偶合器，可以解決低負(fù)荷工況油耗高的問題。本研究采用臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M鉆井低負(fù)荷工況，并分別將液力偶合器設(shè)置成全速及溫控兩種模式，對比分析了低負(fù)荷工況柴油機(jī)的油耗，并在油田現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行了對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，安裝液力偶合器的柴油機(jī)具有明顯的節(jié)油效果。

Abstract： Oil field direct drive drilling diesel engine accounts for a high proportion of low load condition in the working process，the fuel consumption under this condition is about 25% higher than that in the economic condition，at thiscondition，the fan power accounts for a large proportionand there is heat dissipation redundancy. By installing the hydraulic coupling at the free end of the diesel engine，we can solve the problem of high fuel consumption under low load conditions. In this study， the bench test simulates low load conditions，the hydraulic coupling is set to full speed and temperature control modes respectively， we compared and analyzed the fuel consumption of low load condition，and then carried out comparative test in the field. The test results show that，the diesel engine with hydraulic coupling has obvious fuel saving effect.

關(guān)鍵詞：油田;柴油機(jī);液力偶合器;節(jié)油

Key words： oil field;diesel engine;hydraulic coupling;fuel saving

中圖分類號(hào)：TK422 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）02-0020-04

0 ?引言

柴油機(jī)在工作過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，風(fēng)扇水箱是最常見的散熱方式，目前應(yīng)用最多的風(fēng)扇聯(lián)接方式是柴油機(jī)皮帶輪通過皮帶直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇皮帶輪，該聯(lián)接方式使得風(fēng)扇轉(zhuǎn)速始終與柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速成一定比，無法根據(jù)柴油機(jī)的實(shí)際散熱量匹配風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，在柴油機(jī)低負(fù)荷工況，往往存在散熱冗余。

2020年3月，濰柴重機(jī)股份有限公司給某鉆井公司配套的油田專用柴油機(jī)在運(yùn)行時(shí)客戶反饋燃油耗高問題，通過分析油田用柴油機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)，得出結(jié)論為低負(fù)荷工況占比太大。本研究是在柴油機(jī)皮帶輪和風(fēng)扇之間安裝液力偶合器，可以根據(jù)柴油機(jī)高溫水的溫度來調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，當(dāng)?shù)拓?fù)荷工況時(shí)，水溫很低，液力偶合器輸出端不工作或轉(zhuǎn)速很低，從而降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，節(jié)約能耗;當(dāng)高負(fù)荷工況時(shí)，水溫升高，液力偶合器滿速輸出，從而風(fēng)扇轉(zhuǎn)速較高，散熱量大。

本文采用的是臺(tái)架試驗(yàn)和油田現(xiàn)場試驗(yàn)相互驗(yàn)證的方式，深入開展液力偶合器在油田鉆井柴油機(jī)領(lǐng)域的節(jié)油效果研究。

1 ?油田鉆井柴油機(jī)燃油耗高問題分析

2020年3月，濰柴重機(jī)股份有限公司給延安某鉆井公司配套了一臺(tái)油田直驅(qū)代號(hào)為YT01的柴油機(jī)，該井隊(duì)的鉆井方式為直驅(qū)式轉(zhuǎn)盤鉆，設(shè)計(jì)井深約為2000米，單臺(tái)柴油機(jī)工作，通過減速箱驅(qū)動(dòng)泥漿泵，泥漿泵驅(qū)動(dòng)絞車和轉(zhuǎn)盤（如圖1），鉆井過程中柴油機(jī)常用轉(zhuǎn)速1250r/min，實(shí)際使用過程中，客戶反饋鉆打一口井平均燃油消耗量為21t，未達(dá)到電控柴油機(jī)理想燃油耗。

在排除了柴油機(jī)本身燃油系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)和配氣系統(tǒng)的故障后，我們對柴油機(jī)的工況進(jìn)行了現(xiàn)場測試。經(jīng)測試，鉆井工況分為三類：鉆進(jìn)、提鉆和下鉆，各工況的詳細(xì)參數(shù)如表1。

鉆進(jìn)工況：鉆進(jìn)工況常用扭矩4660N·m，占比98.7%，最大扭矩8388N·m;常用功率610kW，占比98.7%，最大功率1034kW（如圖2）。

提鉆工況：提鉆工況常用扭矩1630N·m，占比81.3%，最大扭矩8378.5N·m;常用功率210kW，占比81.3%，最大功率1024kW（如圖3）。

下鉆工況：常用扭矩1110N·m，占比97.9%，最大扭矩8388N·m;常用功率130kW，占比97.9%，最大功率1034kW（如圖4）。

對比廠內(nèi)試驗(yàn)柴油機(jī)的功率油耗特性曲線圖（圖5），通過分析可知，三類工況中，提鉆和下鉆工況屬于低負(fù)荷、高油耗區(qū)間②，鉆進(jìn)工況屬于中高負(fù)荷工況、低油耗區(qū)間①。

經(jīng)過分析可知，柴油機(jī)鉆井各大工況基本在相應(yīng)的油耗區(qū)間，想要進(jìn)一步優(yōu)化油耗的話，只能重新優(yōu)化進(jìn)排氣、配氣和燃油系統(tǒng)的性能件，但卻只能優(yōu)化鉆進(jìn)工況的油耗，提鉆下鉆的工況很難兼顧。而風(fēng)扇消耗的功率在30kW左右，在低負(fù)荷工況中占總功率的1/4～1/5，占比較大，可以考慮在柴油機(jī)皮帶輪和風(fēng)扇之間安裝液力偶合器來降低風(fēng)扇消耗的功率。

2 ?液力偶合器工作原理

液力偶合器是一種以液體為傳動(dòng)介質(zhì)的液力元件，裝置在柴油機(jī)和冷卻風(fēng)扇之間，可傳遞扭矩，具有無級(jí)調(diào)速、傳動(dòng)平穩(wěn)、隔振無沖擊性的特點(diǎn)，可以改善動(dòng)力機(jī)組的傳動(dòng)品質(zhì)，也是一種節(jié)能降耗的動(dòng)力傳輸設(shè)備。

圖6是一種常見的液力偶合器的原理圖。

液力偶合器是依靠液體柔性傳遞動(dòng)力，其工作原理是：柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)連接盤（1）輸入法蘭（2）使輸入軸（3）和泵輪（7）旋轉(zhuǎn)，當(dāng)充油閥的工作液進(jìn)入工作腔，受泵輪離心力的作用，工作液由泵輪心部（即泵輪入口）流向外緣（即出口而形成高壓高速液流進(jìn)入渦輪（8）外緣（即渦輪入口）并沖擊渦輪葉片，使渦輪和輸出軸（9）與泵輪同向旋轉(zhuǎn)，輸出軸上的皮帶輪，帶動(dòng)冷卻風(fēng)扇開始工作旋轉(zhuǎn);同時(shí)液體又由渦輪外緣流向心部（即出口）再回到泵輪入口如此循環(huán)流動(dòng)，這樣泵輪將柴油機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體能輸入，而渦輪又將液體能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，而實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)與冷卻風(fēng)扇之間的動(dòng)力傳遞。

液體在工作腔中的這種循環(huán)流動(dòng)，只有在泵輪與渦輪間存在轉(zhuǎn)速差（即滑差）時(shí)才發(fā)生，而傳遞力矩的大小取決于進(jìn)入工作腔內(nèi)液量的多少;當(dāng)充油閥控制滑閥（16）口開度愈大，進(jìn)入工作腔的液體愈多，當(dāng)工作腔全部充滿液體時(shí)傳遞的力矩最大，故而控制滑閥的開度又決定了工作腔內(nèi)的充液量。

充油閥控制滑閥（16）的開度，由熱敏元件（17）受熱變形來進(jìn)行控制，來自柴油機(jī)高溫冷卻水系統(tǒng)出水管的少量高溫冷卻水，經(jīng)過進(jìn)水閥（14）和進(jìn)水管，進(jìn)入充油閥水腔，然后經(jīng)出水管和出水閥（19）回到柴油機(jī)的進(jìn)水管。冷卻水進(jìn)入充油閥的水腔時(shí)熱敏元件（17）直接感受到柴油機(jī)高溫水系統(tǒng)出口冷卻水的溫度;當(dāng)水溫升高時(shí)熱敏元件挺桿部份伸長，克服彈簧的壓力，推動(dòng)壓塊（20）活塞（21）和控制滑閥（15）向左移動(dòng);當(dāng)水溫達(dá)到72-78℃時(shí)，充閥口F打開，柴油機(jī)機(jī)油系統(tǒng)的少量機(jī)油經(jīng)柴油機(jī)機(jī)油管進(jìn)減壓閥（23或節(jié)流板）旋閥（24）自動(dòng)進(jìn)入充油閥口F，經(jīng)殼體（5）壁左軸套（4）上的噴油孔進(jìn)入偶合器工作腔。當(dāng)水溫愈高時(shí)，熱敏元件挺桿的伸長愈多，推動(dòng)控制滑閥向左移動(dòng)距離愈大，充油閥口F的開度愈大，進(jìn)入偶合器工作腔的油液愈多，渦輪（8）風(fēng)扇（10）轉(zhuǎn)速越高;當(dāng)水溫達(dá)到80-85℃時(shí)，偶合器的工作腔充油量最大，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值;反之冷卻水溫度降低時(shí)，熱敏元件挺桿長度縮短，充油閥控制滑閥在彈簧作用下向右移動(dòng)閥口F的開度減小，進(jìn)入偶合器工作腔的油量亦減少，泵輪對渦輪的液體能降低，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低;當(dāng)水溫降低到65-72℃時(shí)，閥口F關(guān)閉，進(jìn)入偶合器工作腔的油量減少到零，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 ?臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)研究的對象是濰柴重機(jī)同款型號(hào)為YT01的柴油機(jī)，詳細(xì)參數(shù)見表2;試驗(yàn)所用的儀器見表3。柴油機(jī)和風(fēng)扇之間安裝濟(jì)柴YOTJ420型液力偶合器，偶合器動(dòng)力輸入端與柴油機(jī)皮帶輪通過高彈聯(lián)軸器相連，偶合器輸出端通過皮帶與風(fēng)扇相連，詳見圖7;偶合器從柴油機(jī)節(jié)溫器處取高溫水，回水到柴油機(jī)水泵進(jìn)水管，用于控制液力偶合器熱敏原件伸縮量;采用柴油機(jī)機(jī)油驅(qū)動(dòng)，從機(jī)油冷卻器處取油，回油至油底殼。

在風(fēng)扇皮帶輪上安裝了轉(zhuǎn)速反光貼片，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，利用測功機(jī)對柴油機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率調(diào)節(jié)。不同的試驗(yàn)方案中，保持發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況點(diǎn)的轉(zhuǎn)速和扭矩一致，通過調(diào)節(jié)液力偶合器的“自動(dòng)”和“手動(dòng)”扳手來控制偶合器的轉(zhuǎn)速輸出。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 油耗率對比

同轉(zhuǎn)速下，對比自動(dòng)擋模式與手動(dòng)全速模式，在低負(fù)荷工況（50%及以下）節(jié)油效果較明顯，在50%負(fù)荷工況下，油耗率平均降低4.5-6.5g/kW·h，詳見圖8、圖9、圖10。

3.2.2 轉(zhuǎn)速及溫度對比

在自動(dòng)模式下，水溫在74-81℃之間調(diào)節(jié)波動(dòng)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷降低而降低，30%負(fù)荷以下，風(fēng)扇會(huì)間歇停轉(zhuǎn)，以達(dá)到節(jié)油效果。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

安裝液力偶合器的柴油機(jī)在50%及以下的低負(fù)荷工況節(jié)油效果顯著，最高可節(jié)油7.6%，高負(fù)荷工況節(jié)油無明顯效果，最高可節(jié)油2.4%，原因是低負(fù)荷工況風(fēng)扇散熱存在冗余，而高負(fù)荷工況風(fēng)扇只有滿速才能達(dá)到散熱要求。

4 ?現(xiàn)場試驗(yàn)

試驗(yàn)的對象是安裝液力偶合器的同型號(hào)柴油機(jī)，試驗(yàn)地點(diǎn)為同一鉆井公司現(xiàn)場，兩口井距離約100米，經(jīng)測試，鉆井各個(gè)工況的油耗見表4。

通過對比未安裝液力偶合器柴油機(jī)各個(gè)工況的油耗，可知柴油機(jī)在安裝液力偶合器后，鉆進(jìn)工況時(shí)，平均每小時(shí)油耗量降低2.3%，提鉆和下鉆工況時(shí)，平均每小時(shí)油耗量可降低5.4%。

更換帶液力偶合器的柴油機(jī)后，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，在地質(zhì)結(jié)構(gòu)相同，2000米井深時(shí)，鉆一口井總的燃油消耗量約在18.8t左右，省油效果明顯，客戶非常滿意。

5 ?結(jié)論

①油田鉆井柴油機(jī)工況較為單一，鉆進(jìn)過程中的負(fù)荷在500-700kW，提鉆和下鉆工況負(fù)荷在100-250kW，鉆進(jìn)過程中的油耗優(yōu)化空間不大，而低負(fù)荷工況風(fēng)扇消耗功率占比較大;②柴油機(jī)風(fēng)扇在低負(fù)荷工況存在散熱冗余，造成功率浪費(fèi)，安裝液力偶合器可以改善低負(fù)荷工況風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速;③通過臺(tái)架試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，得出液力偶合器在油田鉆井柴油機(jī)中提鉆和下鉆等低負(fù)荷工況節(jié)油效果顯著，可以給客戶帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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