燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)應(yīng)用劣質(zhì)油田伴生氣的研究

王華磊，董志偉，潘新霞，李明曉，姚鵬

（中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動力有限公司，山東 濟(jì)南 250300）

1 前言

石油層間含有以甲烷、乙烷等為主要成分的氣體，此類氣體屬于可利用不再生能源，在開采石油的過程中此類氣體就會溢出。伴生氣回收處理就是指對此類氣體進(jìn)行分離、提純，最終得到純的天然氣混合液（NGL），然后進(jìn)行天然氣的銷售。

早在20世紀(jì)60年代，伴生氣回收處理在我國得以初步應(yīng)用。從世界范圍看，國外一些國家受技術(shù)的制約伴生氣回收并不理想，再加上此類國家液體燃料資源豐富，從投入和產(chǎn)出比考慮，沒有重視對伴生氣的回收利用，大部分伴生氣被就地燃燒或排向大氣中。

國外一些油田電力發(fā)展嚴(yán)重滯后，電力供給不足，伴生氣可以作為發(fā)電燃料以解決這一地區(qū)的電力供給不足等問題，同時，還可以緩解這一地區(qū)的環(huán)境污染。各地伴生氣質(zhì)量差異較大，一般都比較差，利用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電很容易造成設(shè)備故障，進(jìn)而影響油田的正常生產(chǎn)，降低油田的經(jīng)濟(jì)效益。因此，怎樣根據(jù)劣質(zhì)油田伴生氣質(zhì)量選擇合適的內(nèi)燃?xì)膺M(jìn)行發(fā)電就顯得尤為重要，對此進(jìn)行研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

本文將在全面分析劣質(zhì)油田氣源的基礎(chǔ)上，就劣質(zhì)伴生氣對燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的影響展開闡述。通過實(shí)驗(yàn)論證和理論推導(dǎo)得出科學(xué)的伴生氣發(fā)電內(nèi)燃機(jī)選型。

2 劣質(zhì)油田伴生氣氣源分析

受地域差異的影響，油田伴生氣中甲烷含量存在差異，我國四川盆地的伴生氣甲烷含量超過80%。其他地區(qū)的伴生氣含量一般低于這一數(shù)值，而伴生氣含量一般在65%～85%。除了甲烷以外，伴生氣中還含有乙烷、丙烷等其他烴類。伴生氣的低燃值約為42.0kJ/m3（標(biāo)況)。

伴生氣各成分含量的多少決定了其特性，如燃值、空燃比等。根據(jù)伴生氣成分特征分析出其對燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電動機(jī)的影響。影響發(fā)動機(jī)功率輸出的重要指標(biāo)是混合氣的低燃值，燃?xì)獬煞植煌杖急炔煌ㄒ姳?）。

表1 國外部分地區(qū)油田伴生氣組分

點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)抗爆性一般用甲烷值（MN）表示，而氣體燃料甲烷值的評定方法為MSTM辛烷值評定法，在條件不變的情況下，對標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)進(jìn)行甲烷值測定當(dāng)被測氣體燃料的甲烷值與已知比例的甲烷氫氣混合氣體的甲烷值相同時，則可以得出該氣體燃料的甲烷值，即為標(biāo)準(zhǔn)燃料中甲烷的體積百分?jǐn)?shù)。

利用相關(guān)軟件對以上國家伴生氣的甲烷值進(jìn)行分析可知（表2），燃?xì)獾目贡耘c甲烷值呈正向關(guān)，即甲烷值越大，燃?xì)獾目贡栽胶茫ㄒ姳?）。

表2 氣源分析甲烷值和氣源處理后甲烷值

在非正常燃燒的情況下，發(fā)動機(jī)的活塞容易被燒壞，造成拉缸或活塞環(huán)、汽缸蓋墊片損壞，更有甚者，造成連桿斷裂等，從而引發(fā)安全事故。

為了消除對甲烷值的影響，常規(guī)做法是通過冷凝將其除去。常規(guī)的冷凝法有以下三種，即淺冷、中冷和深冷，三者的主要區(qū)別是溫度不同，分別在-40℃、-70℃、-100℃條件下進(jìn)行。

通過表3分析可知，正丁烷飽和蒸氣壓在20℃時為0.201MPa，此時，正丁烷為氣體。當(dāng)正丁烷為液體時，其處于C5+及以上。因此，從表中可以得出，采用中冷冷凝就可以實(shí)現(xiàn)C3+的液化。

表3 石油氣的飽和蒸汽壓表

在國外，對輕烴無特殊要求的地區(qū)，開發(fā)設(shè)備的投資成本比較高。因此，為了降低設(shè)備成本，可以采取冷凝法將C5去除，留下C4組分。去除C5組分的伴生氣甲烷值略高于有C5的伴生氣。

3 劣質(zhì)油田伴生氣對燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的影響

根據(jù)以上分析可知，劣質(zhì)油田伴生氣甲烷值普遍偏低，容易造成燃?xì)獍l(fā)動機(jī)爆震。爆震引發(fā)極高的機(jī)械和熱應(yīng)力負(fù)荷。氣體燃料的抗爆性決定了燃?xì)鈾C(jī)的工作原理和工作時間。燃?xì)鈾C(jī)氣缸大小對抗爆性也有一定的影響，氣缸尺寸與抗爆性呈反向關(guān)系，這是因?yàn)闅飧壮叽缭酱?，缸?nèi)溫度越高，當(dāng)缸內(nèi)溫度達(dá)到極值時，缸內(nèi)氣體體積最大。

為了有效預(yù)防爆震，可以采取以下幾種預(yù)防措施：（1）設(shè)法降低負(fù)荷。（2）設(shè)法降低溫度，采取冷凝氣體的方法確?；旌蠚怏w的溫度穩(wěn)定在40℃以下。（3）在確保效率的情況下，延遲點(diǎn)火，降低壓縮比。點(diǎn)火過早會增加爆震的概率，點(diǎn)火過遲又會導(dǎo)致排氣溫度的提升，進(jìn)而導(dǎo)致燃?xì)鈾C(jī)過早出現(xiàn)故障，縮短其工作壽命，降低了設(shè)備的使用效率。（4）增加混合氣體中的空氣含量，從而降低燃?xì)鈾C(jī)的熱應(yīng)力，提高設(shè)備的抗爆震能力。

4 AVL試驗(yàn)報(bào)告分析

采用定量分析法，對劣質(zhì)油田伴生氣甲烷值對發(fā)動機(jī)的影響進(jìn)行分析。目前，國內(nèi)外對這方面的研究較多。比如，發(fā)動機(jī)制造商卡特、MAN在其出廠的發(fā)動機(jī)說明書中，明確指出，在甲烷值低于某一數(shù)值的燃料，不能使用該發(fā)動機(jī)。

發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)AVL公司也曾有過這方面的研究。

發(fā)動機(jī)均效壓力與燃料甲烷值之間存在某種關(guān)系，如圖1所示。進(jìn)一步分析可知，在圖1中，橫線表示發(fā)動機(jī)的輸出功率，而爆震限制線為直線，表示在該直線上發(fā)動機(jī)無爆震現(xiàn)象，與之對應(yīng)的值即為允許的燃料甲烷值，直線以下的值則表示存在爆震現(xiàn)象，與之對應(yīng)的是不允許的燃料甲烷值。

圖1 甲烷值對發(fā)動機(jī)爆震的影響

發(fā)動機(jī)均效壓力與增壓中冷后的進(jìn)氣溫度存在某種關(guān)系，如圖2所示。在確保不出現(xiàn)爆震的情況下，隨著進(jìn)氣溫度的提升，要適當(dāng)降低發(fā)動機(jī)的輸出功率，或在輸出功率不變的情況下要適當(dāng)降低進(jìn)氣溫度。

圖2 中冷后進(jìn)氣溫度對發(fā)動機(jī)爆震的影響

5 現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用介紹

以我廠在中亞某項(xiàng)目中產(chǎn)生的伴生氣為例，該油田產(chǎn)生的伴生氣成分如表5。

表5 中亞某項(xiàng)目氣源組分

由圖3可知，氣源甲烷值為54.2，經(jīng)過相關(guān)處理后甲烷值為64.56。

圖3 中亞項(xiàng)目現(xiàn)場運(yùn)行情況

現(xiàn)場配置機(jī)組4臺，每臺功率為1000kW,實(shí)際工作功率約為520kW。在對機(jī)組進(jìn)行調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)每臺機(jī)組可以達(dá)到720kW。

以伊拉克某油田伴生氣項(xiàng)目為例，現(xiàn)場配置機(jī)組10臺，每臺機(jī)組功率為2000kW，具體如表6。

表6 伊拉克現(xiàn)場氣源組分

該油田伴生氣甲烷值為59，實(shí)際持續(xù)輸出功率為1150kW。在對機(jī)組進(jìn)行調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)每臺機(jī)組可以達(dá)到1300kW。該油田所在地區(qū)最高溫度達(dá)到50℃，這一溫度對機(jī)組的輸出功率產(chǎn)生了影響。

以上兩個油田伴生氣發(fā)電項(xiàng)目實(shí)際工作輸出功率在70%左右（65%～75%），這一結(jié)果與AVL公司的實(shí)驗(yàn)高度吻合。

6 結(jié)語

本文在全面闡述國際產(chǎn)油區(qū)劣質(zhì)伴生氣特征的基礎(chǔ)上，就其對燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的影響進(jìn)行了分析，就合理科學(xué)利用此類氣體的投入的必要性進(jìn)行了簡要概述。通過項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行與AVL公司實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，為劣質(zhì)油田伴生氣發(fā)電項(xiàng)目的內(nèi)燃機(jī)設(shè)備選型提供理論參考。