邵奇 王寧 閆立賀
摘 要:天然氣發(fā)動機以其功率大、動力性好等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外多個領(lǐng)域,具有十分廣闊的發(fā)展前景。在介紹天然氣發(fā)動機組成結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上,對天然氣發(fā)動機的應(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述,重點論述天然氣發(fā)動機在驅(qū)動離心泵方面的優(yōu)勢,指出天然氣發(fā)動機驅(qū)動離心泵技術(shù)在我國長輸管道上應(yīng)用的技術(shù)難點,為天然氣發(fā)動機驅(qū)泵技術(shù)的后續(xù)研究提供了一定的參考。
關(guān) 鍵 詞:天然氣發(fā)動機;應(yīng)用;驅(qū)泵;進展
中圖分類號:U 262 文獻標(biāo)識碼: A 文章編號: 1671-0460(2015)07-1595-03
Application and Research Progress of Natural Gas Engine
SHAO Qi1,WANG Ning1,YAN Li-he2
(1. China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China;
2. China National Aviation Fuel Co.,Ltd. Hebei Branch,Hebei Shijiazhuang 050802, China)
Abstract: With large power and good power performance advantages, natural gas engine is widely used in many areas at home and abroad, it has the very broad development prospect. In this paper, the composition structure and working principle of gas engine were introduced, the current application of natural gas engine were reviewed, its advantages in driving centrifugal pump were mainly discussed, facing difficulties of application of the gas engine driving centrifugal pump technology for long distance transmission pipeline in China were pointed out. This paper can provide some theory references to further research on natural gas engine driving pump technology.
Key words: Natural gas engine; Application; Driving pump; Progress
在石油領(lǐng)域,原油、成品油長距離輸送管道和油庫以及油田地面工程中常用設(shè)備的驅(qū)動機有電動機、柴油機、燃氣輪機和蒸汽輪機等原動機。根據(jù)能量的轉(zhuǎn)換形式可將原動機分為:熱力發(fā)動機(熱能轉(zhuǎn)換成機械能)和電力發(fā)動機(電能轉(zhuǎn)換成機械能),其中熱力發(fā)動機根據(jù)燃料所在位置的不同又可以分為內(nèi)燃機和外燃機,天然氣發(fā)動機屬于內(nèi)燃機的一種。天然氣發(fā)動機以其功率大、動力性好等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外多個領(lǐng)域,具有十分廣闊的發(fā)展前景。
1 天然氣發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)
1.1 天然氣發(fā)動機的系統(tǒng)組成
天然氣發(fā)動機由九大系統(tǒng)組成,分別是:進/排氣系統(tǒng)、自控系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、燃料氣減壓系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、空氣預(yù)熱系統(tǒng)。
1.2 天然氣發(fā)動機的控制模塊
天然氣發(fā)動機主要由兩個控制模塊組成:電子控制模塊(ECM)和集成燃燒傳感模塊(ICSM)。
1.2.1 電子控制模塊(ECM:Electricity Control Module)
發(fā)動機電子控制模塊(ECM)相當(dāng)于天然氣發(fā)動機的“中央司令部”,發(fā)動機的大部分功能都由其控制。該模塊固定在發(fā)動機側(cè)面的接線盒內(nèi)是一個密封裝置。ECM 能夠監(jiān)控傳感器的各種輸出,在達到相應(yīng)條件時,可以激發(fā)繼電器、線圈等部件的工作。
ECM的主要功能有[1]:
(1)監(jiān)控發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速;
(2)調(diào)節(jié)燃料和空氣的進氣/排氣旁通閥;
(3)操作燃料執(zhí)行器使燃料進入燃氣匯管;
(4)操作阻風(fēng)門執(zhí)行器使空氣進入進氣匯管;
(5)可確定要求保持正確空燃比的氣壓;
(6)ECM發(fā)送脈沖信號刺激變壓器升壓;
(7)向ICSM發(fā)送要求的排氣口溫度圖;
(8)向ICSM發(fā)送要求的燃燒時間圖;
(9)控制點火正時、監(jiān)控載荷的變化。
1.2.2 集成燃燒傳感模塊(ICSM:Integrated Combustion Sense Module)
天然氣發(fā)動機每排氣缸的外側(cè)各有一個ICSM。在每個氣缸的排氣口處均有一個熱電偶,這個熱電偶由ICSM負責(zé)監(jiān)測。
ICSM的主要功能有[1]:
(1)監(jiān)測每排氣缸排氣口處氣體的實際溫度,從而計算出每排氣缸排氣口的平均溫度。
具體而言,ICSM計算得到排氣口的平均溫度后,與ECM發(fā)送過來的要求達到的排氣溫度進行比較。ICSM計算出二者之間的差異,隨后向ECM傳送差異信息和修改信號。ECM根據(jù)修改信號智能的調(diào)節(jié)阻風(fēng)門執(zhí)行器,從而達到要求的排氣口溫度。
(2)ICSM可以計算出相對應(yīng)一側(cè)所有氣缸的平均燃燒時間。
具體而言,ICSM計算得到對應(yīng)側(cè)的氣缸平均燃燒時間后,與ECM發(fā)送過來的要求的燃燒時間進行比較。ICSM計算出二者之間的差異,隨后向ECM傳送一個差異信息和修改信號。ECM 根據(jù)修改信號智能的調(diào)節(jié)控制排氣旁通執(zhí)行器,從而保證要求的燃燒時間。
2 天然氣發(fā)動機工作原理
2.1 氣缸的四個行程
天然氣發(fā)動機的氣缸有四個行程,分別為吸氣、壓縮、做功、排氣。這與柴油發(fā)動機相同。
2.1.1 進氣行程
活塞從上止點移動到下止點,此時進氣閥門打開,排氣閥門關(guān)閉。
2.1.2 壓縮行程
活塞由下止點移動到上止點,期間進氣閥和排氣閥都處于關(guān)閉狀態(tài)。
2.1.3 做功行程
活塞從上止點移動到下止點,期間進氣閥和排氣閥仍處于關(guān)閉狀態(tài)。
2.1.4 排氣行程
活塞從下止點移動到上止點,在此期間排氣閥打開,進氣閥關(guān)閉。
2.2 發(fā)動機的做功原理
為了便于說明,將天然氣發(fā)動機與柴油發(fā)動機的做功原理進行比較。
2.2.1 天然氣發(fā)動機與柴油發(fā)動機做功的相同點
天然氣發(fā)動機與柴油發(fā)動機均經(jīng)歷了活塞上下往復(fù)運動各兩次的四個行程后,完成了一個工作循環(huán)。燃料在氣缸里面燃燒膨脹,推動活塞在氣缸里上下滑動驅(qū)動曲軸轉(zhuǎn)動,曲軸依靠飛輪轉(zhuǎn)動的慣性作用繼續(xù)旋轉(zhuǎn),周期性地重復(fù)上述各個過程,使發(fā)動機不斷運轉(zhuǎn),輸出旋轉(zhuǎn)機械能,從而輸出功率。
2.2.2 天然氣發(fā)動機與柴油發(fā)動機做功的不同點
在做功行程階段,燃料和空氣的混合物在氣缸內(nèi)部等待燃燒釋放能量,柴油發(fā)動機采用的是壓燃的方式對燃料混合物進行燃燒,而天然氣發(fā)動機由于其燃料的自燃點要高于柴油,不易控制,難以壓燃[2],故采用火花塞點燃燃料混合物的方式做功。
3 天然氣發(fā)動機在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀
3.1 應(yīng)用天然氣發(fā)動機驅(qū)動車輛
天然氣發(fā)動機驅(qū)動車輛這一技術(shù)的發(fā)展過程大致分為三個階段[3]:
(1)第一階段(20世紀(jì)60年代以前):以氣代油節(jié)約能源;
(2)第二階段(20世紀(jì)60年代以后到90年代初):解決尾氣污染問題;
(3)第三階段(20世紀(jì)90年代以后):閉環(huán)控制。
燃料供給方式的不同是天然氣發(fā)動機與常規(guī)發(fā)動機的主要差異,有三種燃料供給方式的天然氣發(fā)動機:
(1)單燃料發(fā)動機;
(2)雙燃料發(fā)動機;
(3)兩用燃料發(fā)動機。
3.2 應(yīng)用天然氣發(fā)動機發(fā)電
小型天然氣發(fā)動機可實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn),有效地提供熱能和電能,總能利用率可達到85%甚至更高[4],這對提高能源利用率具有極為重要的意義。
3.3 應(yīng)用天然氣發(fā)動機鉆井
由濟柴自主設(shè)計開發(fā)的天然氣發(fā)動機滿足了鉆井平臺所需動力的要求[5],天然氣發(fā)動機曾在中原油區(qū)的鉆井現(xiàn)場投入使用[6],為減少發(fā)動機由于故障而失去動力的概率,采用發(fā)動機并聯(lián)運行的方式為鉆井提供動力,從而提高動力系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)實驗測試,天然氣發(fā)動機運行平穩(wěn),與柴油機相比,既節(jié)省了費用支出,又減少了碳的排放,做到了節(jié)能減排,低碳環(huán)保。
3.4 應(yīng)用天然氣發(fā)動機驅(qū)動制冷機組
采用天然氣發(fā)動機代替電動機直接驅(qū)動制冷壓縮機,制冷效果明顯。
天然氣發(fā)動機驅(qū)動制冷機的特點[7]:
(1)較高的部分負荷運行特性;
(2)一次能源利用率高;
(3)結(jié)構(gòu)緊湊和運行安全可靠;
(4)便于與其他空調(diào)系統(tǒng)組合使用;
(5)減少了硫化物、二氧化碳的排放,有利于環(huán)境保護。
秦朝葵[8]等利用改裝的天然氣發(fā)動機和活塞式冷水機組進行實驗,實驗結(jié)果表明:與電動冷水機組相比,天然氣發(fā)動機驅(qū)動的制冷機組具有較好的部分負荷特性。該實驗的創(chuàng)新之處是采用發(fā)動機轉(zhuǎn)速與壓縮機卸缸相結(jié)合的能量調(diào)節(jié)方法, 對其制冷性能進行了實驗測試與分析, 從而實現(xiàn)分段的連續(xù)能量調(diào)節(jié)。
3.5 應(yīng)用天然氣發(fā)動機驅(qū)動往復(fù)式壓縮機
目前,國內(nèi)長輸管道上主要應(yīng)用天然氣發(fā)動機驅(qū)動往復(fù)壓縮機。由于天然氣發(fā)動機驅(qū)動往復(fù)壓縮機組的啟動受環(huán)境溫度、空氣和燃料氣的溫度、潔凈程度、干燥程度及壓縮機組負荷、調(diào)試等因素的影響,使得天然氣發(fā)動機驅(qū)動往復(fù)壓縮機組時存在啟動困難的情況。這時如果有故障碼,可以根據(jù)故障碼進行有針對性的排查和調(diào)試;如果沒有故障碼,則可以從以下幾個方面進行檢查[9]:
(1)降低壓縮機組啟動負荷;
(2)檢查啟動系統(tǒng);
(3)燃料氣氣路檢查。
3.6 應(yīng)用天然氣發(fā)動機驅(qū)動原油管道離心泵
到目前為止,我國由于存在技術(shù)問題尚未將天然氣發(fā)動機驅(qū)泵技術(shù)應(yīng)用于原油管道上,國外有幾條原油管道已經(jīng)將天然氣發(fā)動機成功的應(yīng)用在驅(qū)動離心泵運行上。例如,2005年投產(chǎn)的巴庫-第比利斯-杰伊漢原油管道(BTC管道)[10],耗資37億美元,全長1 768 km,年輸量:5 000萬t/a,沿途共8座泵站(其中2座泵站位于阿塞拜疆,2座泵站位于格魯吉亞,4座泵站位于土耳其),位于土耳其境內(nèi)的4座泵站,均采用天然氣發(fā)動機驅(qū)泵運行。
4 天然氣發(fā)動機驅(qū)泵技術(shù)的應(yīng)用前景
4.1 天然氣發(fā)動機的特點
(1)抗爆性能好。甲烷的辛烷值為130。
(2)環(huán)境污染小。甲烷含氫量高,同樣釋放單位能量二氧化碳時排放量比汽油少30%以上[11]。
(3)安全性高。天然氣在空氣中的自燃點高于汽油,故天然氣發(fā)動機的安全性高于汽油發(fā)動機。
(4)著火極限寬。天然氣燃燒時,其燃燒溫度低,且火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢,在一定程度上能抑制缸內(nèi)氮氧化物的生成[12]。
(5)發(fā)動機使用壽命長,經(jīng)濟性好。天然氣與傳統(tǒng)原料相比對發(fā)動機潤滑油的破壞較小,減少發(fā)動機的磨損,從而節(jié)約費用[13]。
4.2 天然氣發(fā)動機驅(qū)泵的優(yōu)越性
往復(fù)式發(fā)動機分為:天然氣發(fā)動機、液態(tài)燃料發(fā)動機、雙燃料發(fā)動機和混合燃料發(fā)動機等。往復(fù)式發(fā)動機工作效率相對較高且易于現(xiàn)場維護,其輸出功率受海拔和環(huán)境溫度等因素的影響較小。因此,在驅(qū)動管道輸油泵的應(yīng)用上,往復(fù)式發(fā)動機要比燃氣輪機更具優(yōu)勢[14]。
目前我國原油、成品油長距離輸送管道和油庫以及油田地面工程中應(yīng)用較多的離心泵驅(qū)動機有電動機(具體的說,是三相異步電動機)、柴油機。
在外部電壓不穩(wěn)定或電力供應(yīng)不足的地區(qū),使用電力發(fā)動機驅(qū)泵是不經(jīng)濟的,也是不明智的。而此時,非電力發(fā)動機就體現(xiàn)了它絕對的優(yōu)勢。根據(jù)不同地區(qū)的實際情況,選擇合適的發(fā)動機與泵進行匹配,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)從而改變泵的特性,對輸油管道的運行具有重大而深遠的意義。
與柴油機相比,同是非電力式發(fā)動機的天然氣發(fā)動機以其熱效率高、動力性能好、排放污染小等優(yōu)勢,則更被人們所看好,具有非常廣闊的發(fā)展前景。
5 天然氣發(fā)動機驅(qū)泵的技術(shù)難點
與其他發(fā)動機相比天然氣發(fā)動機用于驅(qū)泵有一定的優(yōu)勢,目前國外已有多條原油管道應(yīng)用天然氣發(fā)動機驅(qū)動離心泵的運行,但是由于存在一些技術(shù)問題,在我國未見天然氣發(fā)動機驅(qū)泵技術(shù)在長輸管道上得以應(yīng)用,這些關(guān)鍵技術(shù)問題概括起來主要有:
(1)由于天然氣發(fā)動機啟動時間較長,有待于對泵機組的匹配時間和邏輯控制程序進行優(yōu)化,從而縮短操作時間,提高工作效率;
(2)在不同的輸量下,天然氣發(fā)動機需與離心泵的運行模式進行合理匹配,保證泵機組安全可靠的運行,完成輸油任務(wù);
(3)在遇到異常工況時,需對泵機組及時進行調(diào)節(jié)和切換,必要時做緊急停輸處理,天然氣發(fā)動機應(yīng)對突發(fā)事件的處理能力是保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。
6 結(jié)束語
天然氣發(fā)動機以其安全、清潔、動力性能好等多方面的優(yōu)勢已經(jīng)在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于驅(qū)動大型動力設(shè)備、流體機械上,其中包括在交通領(lǐng)域作為大中小型車輛的驅(qū)動機,石油領(lǐng)域作為鉆井平臺油氣管道的原動機等。目前國外已經(jīng)有多條原油管道已經(jīng)采用天然氣發(fā)動機驅(qū)動離心泵運行,但在我國由于存在尚未解決的技術(shù)難點而使天然氣發(fā)動機驅(qū)泵技術(shù)沒有切實地得以應(yīng)用,本文為天然氣發(fā)動機驅(qū)泵技術(shù)的后續(xù)研究提供了參考。(下轉(zhuǎn)第1601頁)