一、推廣柴油/天然氣雙燃料發動機的意義
1、節能的需要
進入21世紀以來,隨著石油工業的發展、鉆井設備的不斷更新,能源的緊缺與各油田降低鉆井成本、提高效益的矛盾也日益突出。據統計,鉆井動力機械的燃油消耗占鉆井成本的30% 以上。目前,大部分油田都有現成的天然氣,作為雙燃料之一的天然氣需要的附加成本較低,只需要簡單處理即可滿足發動機的工作需要。我公司開發的鉆機用雙燃料發動機,利用油田內部豐富的天然氣資源代替部分柴油作為動力機械的燃料,可有效降低鉆井成本、獲取更大經濟效益。
2、市場的需要中大功率雙燃料發動機在國內開發和應用較少,但從能源需求的情況看,雙燃料發動機存在一個巨大的潛在的市場。考慮設備維修和更新需求以及油價持續走高等因素,雙燃料發動機盡管尚不能成為石油勘探用鉆機動力的新一代主流配置,但是具有較低的改造成本以及較大的節能優勢。
二、雙燃料發動機的優點
1、可以節省大量的柴油消耗,有效降低鉆井成本。雙燃料發動機在雙燃料工作狀態時,額定功率與純柴油工作狀態下相當,其動力性與原柴油機相同。在高負荷工況時,天然氣替代率可達到70%。
2、無天然氣時,*可以轉換到純柴油工作模式。
3、通過降低廢氣排放量,改變大氣質量,維護自然生態,改善人們的生活環境。
三、勝動集團雙燃料發動機的配置情況
1、結構開發
勝動集團的柴油/天然氣雙燃料發動機由12V190柴油機改制而成,柴油機原機及供油系統不做任何變動,僅增加一套供氣裝置。供氣系統主要包括燃氣供給系統、燃氣控制系統兩大部分:
1)燃氣供給系統包括:高壓減壓閥、電磁閥、低壓調壓閥、手動閥門、天然氣控制閥、混合器等。
天然氣由高壓氣瓶通過高壓管路經減壓后(由20MPa 降低到0.1MPa)進入電磁閥,然后經低壓調壓閥再次減壓(0~0.5kPa)、穩壓后通過燃氣控制閥蝶門進入混合器,在混合器內天然氣與空氣按一定比例混合,混合氣經增壓中冷后進入進氣總管,zui后到達各氣缸內。當發動機出現故障或發動機熄火時,電磁閥自動切斷天然氣的供給。柴油由原發動機供油系統噴入氣缸,其供給量由高壓油泵上的機械調速器自動調整。由于天然氣參與做功,在相同的負荷下,調速器會自動減少柴油的供給量。混合器采用文丘里喉管混合方式,天然氣的進入量會對空氣的進入量進行一定程度的自動跟蹤,與減壓閥系統共同作用,保證發動機在各個工況獲得*的空燃比,改善發動機的燃燒過程。
2)燃氣控制系統
雙燃料發動機燃氣控制系統采用進口雙燃料控制器,控制器采集發動機進氣管的壓力和溫度信號,通過這兩個信號計算出發動機的負荷信號,在控制器內部存儲根據轉速和負荷信號決定的燃氣調節閥MAP圖參數,并不斷向執行器發出指令,控制天然氣的流通面積。發動機運行過程當中,燃氣調節閥的開度實時地由轉速和負荷信號決定,使發動機始終處于*工作狀態。采用*的爆震實時監測技術,當有爆震發生時,自動切斷燃氣供應,迅速轉換到全柴油工作模式,以避免缸溫過高導致活塞、氣門燒蝕等惡性事故發生。盡管柴油機壓縮比很高(ε=14),但通過爆震監測,可使zui高缸溫不超過450℃。
四、集團雙燃料發動機試驗情況
1、動力性
1500r/min雙燃料工作狀態與純柴油工作狀態負荷特性曲線對比(油耗以及替代率)
雙燃料工作狀態與純柴油工作狀態在不同轉速、中高負荷下的油耗曲線對比
在純柴油工作狀態下,柴油機75%額定功率為600kW/ 1500r/min,試驗工況下zui大扭矩達到4200N?m/1000r/min;在雙燃料工作狀態時,zui大功率能達到660kW/1350r/min,zui大扭矩達到5040N?m/1150r/min。 動力性方面,雙燃料發動機在動力性上與原柴油機水平相當。作為鉆井機械動力,工況和負荷變化大,與柴油機相比,雙燃料發動機具有更優的低速扭矩性能,使發動機的動力輸出性能和配套鉆井機械的加速性能得到提高。在60%~70%替代率條件下,雙燃料發動機可獲得較高的動力性能。
2、經濟性
雙燃料發動機作為鉆井機械動力,工況和負荷變化大,要求在寬廣的負荷范圍內保持較低的燃料消耗率,對天然氣供給系統也要求在寬廣的的范圍內保持基本*的替代率。
1500r/min雙燃料工作狀態與純柴油工作狀態負荷特性曲線對比(油耗及替代率)
雙燃料工作狀態與純柴油工作狀態在不同轉速、中高負荷下的油耗曲線對比
在額定功率時,柴油機的zui低油耗為209.8g/kW?h,而雙燃料發動機zui低油耗達到了60.6g/kW?h。
從試驗的整個轉速范圍來看,經濟油耗區較寬廣,燃油消耗率在70g/kW?h以下的轉速覆蓋了整個工作轉速范圍內,即1100~1500r/min。
從試驗的功率范圍來看,在400kW以上負荷,整個試驗轉速的油耗率均低于75g/kW.h,表明該機在中高負荷有良好的經濟性,適用于不同轉速、不同功率的鉆機動力要求。在中高速大負荷工況下,雙燃料發動機的柴油替代率可達到70%~75%,替代1L柴油僅用天然氣1.15m3,這對于改善發動機的燃燒過程、延長發動機的壽命、降低柴油消耗、降低廢氣排放等有著顯著的社會和經濟效益。
3、安全可靠性
1)采用進口控制器,控制可靠、精確,使系統實時處于*狀態;
2)采用*的爆震實時監測技術,當有爆震發生時,自動切斷燃氣供應,迅速轉換到全柴油工作模式 ;
3)當發動機出現燃氣供應故障時,電磁閥會自動切斷天然氣的供給。發動機自動切換到純柴油工作狀態;
4)在同等負荷下,雙燃料模式比純柴油模式下的缸溫普遍要低20~30℃,而排溫基本相同,柴油機原有配置的散熱水箱即可達到冷卻效果。
五、勝動集團開發的柴油/天然氣雙燃料發動機,其能實現的基本指標為:
1、柴油替代率:60%~75%
2、動力上可保持原柴油機的水平
3、操作過程跟柴油機基本相同
4、改裝簡單、成本低、投資回收周期短
六、雙燃料發動機動力模式的經濟分析
以一臺平均運行功率為500kW的發動機為例,替代率為70%的雙燃料發動機輸出功率為500kW時,每小時耗天然氣117標準立方米,柴油37公斤,天然氣按市場價2.35元/方計算,柴油按油田內部價格4.818元/公斤計算,每小時燃料費2.35元/方*117方+4.818元/公斤*37公斤=453元,而一臺運行功率為500kW的柴油機每小時耗柴油125公斤,每小時燃料費為:4.818*125=602元。
據此分析,改造后每臺發動機每小時節約燃料費用602元-453元=149元。
按照一臺平均運行功率為500kW的發動機每年實際運行240天,每年每臺發動機可節約燃料費用:149元*24小時*240天=858240元。發動機改造后,扣除折舊費、維修費等雜項約10萬元后,每個井隊每年節約的費用為:
858240元-100000=758240元
七、結論
與單一的柴油發動機相比,雙燃料發動機排放指標明顯優化,氮氧化物、碳氫化合物和顆粒等有害物質均有所降低,排煙情況大幅度改善,具有良好的社會效益。雙燃料發動機作為節能環保的綠色動力,不僅可以替代柴油機以滿足鉆機、移動電站等市場對動力機的需要,降低了生產鉆機的成本,而且符合國家可持續發展的要求
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