摘 要

摘　要：美國Ahronic公司開發的GTI Bi-fuel混合燃料技術通過在發動機空氣濾清器和渦輪增壓器之間安裝混合器，將天然氣引入發動機，實現了2種燃料(柴油／天然氣)在發動機燃燒室內同

摘　要：美國Ahronic公司開發的GTI Bi-fuel混合燃料技術通過在發動機空氣濾清器和渦輪增壓器之間安裝混合器，將天然氣引入發動機，實現了2種燃料(柴油／天然氣)在發動機燃燒室內同時燃燒。塔里木盆地具有豐富的天然氣資源，中國石油塔里木油田公司引進GTI混合燃料技術用于深井石油鉆井是降低鉆井成本、保護環境的較好方式之一。為此，對國產2種動力機組進行了改造，并試驗研究混合燃料系統本身的操作性能，混合燃料運行對機組的影響，考察其是否滿足鉆井工況的要求適用性。結果表明，只要柴油機組在全柴油狀態下能承擔鉆井作業要求，柴油機組在混合燃料狀態下同樣能完成。柴油替代率在30％～60％時，各種工況都能達到較好的機組性能和經濟效益。GTI技術應用2a時間，已經在21個鉆井隊使用了天然氣935×10⁴m³，應用井數40口。GTI技術具有良好的經濟效益，安全、可靠，推廣價值高。

關鍵詞：GTI混合燃料技術  深井鉆機  動力機組改造  適用性試驗  現場應用  節能減排  環境保護

Application of the Altronic GTI Bi-Fuel system to engine power supply for deep drilling rigs in Tarim oil／gas fields

Abstract：The Ahronic GTI Bi-Fuel system utilizes a fumigation gas delivery method whereby gas is delivered to the cvlinders via the standard engine air intake system and is then ignited by a diesel“pilot”which acts as an ignition source for the air-gas mixture and operates by blending diesel fuel and natural gas or propane in the combustion chamber．The introduction of the GTI Bi-Fuel svstem into deep well drilling enables the PetroChina Tarim Company to substantially reduce operating costs and lower emissions．Therefore,pilot tests were performed on the performance of the GTI Bi-Fuel system and its effect on the two doraestic engine units in order to determine if this Bi-Fuel System is capable of meeting the engine requirement in deep well drilling．Over the past two vears，the GTI Bi-Fuel system has been applied by 21 drilling crews in 40 wells with a total conSklmed natural gas of 9，350 thousand m³．The application resuhs demonstrate the perfect performance of the GTI Bi-Fuel system on the improveiTlent of engine efficiency；and the conversion to GTI Bi Fuel allows the engine to operate on natural gas mixtures of up to 30-60％of total fuel consumed．This case history proves that the GTI Bi-Fuel System is highly worth popularizing because of its economic benefit，safety and reliability．

Keywords：Ahronic GTI Bi-Fuel system，deep drilling rig，engine power．field application，energy saving and emission reduction，environmental protection,Tarim Basin

1　GTI混合燃料技術原理

GTI混合燃料技術是利用美國Altronic公司生產的GTI混合燃料系統對柴油機進行改造的技術^[1]。經GTI混合燃料技術改造的混合燃料發電機組，能夠同時燃燒柴油和天然氣。被改造的機組在啟動和怠速時按純柴油工作方式運行，達到混燃條件后進入混合燃料運行模式。GTI混合燃料控制系統允許原柴油機監控系統控制柴油機的轉速，在恒定的負載下，由于額外吸入了天然氣，柴油機燃料超出需要，柴油機的轉速輕微增加，為了保持熱值平衡和設定的轉速，監控器會迅速調節減少噴油量，從而實現天然氣對柴油的替代。反之，當已達平衡狀態后天然氣供給減少時，柴油機監控器會迅速實時動態地調節噴油量，建立新的燃油供給平衡，保持設定轉速，維持柴油機正常運行。

1．1　系統組成

GTI混合燃料系統主要由3部分組成^[2-4]，即供氣閥組、傳感器組、控制柜(圖1)。

 

1．1．1供氣閥組

供氣閥組主要由過濾器、減壓閥、切斷閥和功率閥組成。

1．1．2傳感器組

用于檢測系統的各項運行參數。

1．1．3控制柜

用于監控系統各項運行參數，同時可以實現混合燃料模式切換、閉環自動控制、遠程監控等功能。

1．2　系統特點

GTI混合燃料系統對原有柴油機組的改動很小，同時易于安裝，保護系統與原柴油機保護系統完全獨立，系統出現故障時可不間斷完全切換為l00％柴油機運行狀態，保證機組正常工作。其機組在保持額定轉速和負荷時，柴油的替代率可達到70％。同時，天然氣運轉可減少柴油機積碳，延長機組保養區間及機組運轉壽命，降低機組大修成本。

1．3　鉆機動力機組改造

天然氣經過安裝在柴油機空氣過濾器和渦輪增壓器之間的混合器進入氣缸參與燃燒，經改造后的混合燃料發動機能維持柴油機相同的性能。混合燃料發動機可以在100％柴油模式和混合燃料模式之間自由切換，并且維持轉速和負荷不變。

1．3．1混合器

安裝在原柴油機的空濾和渦輪增壓器之間，空氣經過混合器之后形成一個低壓擾動區。該低壓擾動區有利于空氣和天然氣的高度混合。混合器結構及安裝位置如圖2所示。

 

1．3．2燃氣閥組

由天然氣流量調節閥、緊急切斷閥、壓力凋肯器和過濾器組成(圖3)。過濾器用于濾除天然氣中的污染物以保護系統和柴油機；壓力調節器可以監測柴油機負載增減引起的柴油機真空度變化，從而保持設定的天然氣進氣壓力。緊急切斷閥內部包含2個相互獨立的“常閉”狀態的閥門。天然氣流量調節閥用于控制給定負載時的天然氣流量，可用于設定天然氣／柴油替代率。

 

1．4　控制和監控柴油機運行參數

控制器根據各種傳感器監測到的運行參數和事先在控制器中設置好的參數工作范圍，判斷運行參數是否超過設定值，進而決定是否關閉混合燃料模式。當控制器監測到運行參數超過設定值后會自動關閉混合燃料模式，使混合燃料柴油機轉換到l00％柴油模式下運行。控制器監測的主要參數包括排氣溫度、進氣溫度、進氣壓力、發動機真空度、氣缸振動、供氣壓力、壓力調節器出口壓力等，其中排氣溫度和振動最能體現混合燃料柴油機運行性能的參數。

2　深井鉆機適用性試驗研究

2．1　在CAT3512A機組上的應用試驗

1)試驗內容：混合燃料系統本身的操作性能^[5-7]；混合燃料運行對機組的影響；混合燃料運行是否滿足鉆井工況的要求；混合燃料運行的經濟性試驗。

2)排溫和振動試驗分析。試驗功率為450kw，柴油機在柴油、混燃模式下運行300min(替代率33.81％)，排溫和振動^[8-10]試驗結果相差不大(圖4、5)。

 

 

3)提空游車適用性試驗結果分析。試驗井深4000m，單機功率從l00kW突加至230kW，發電機組在雙燃料模式下頻率波動0.2％，相對于柴油模式0.2％的頻率波動，無影響。起鉆試驗單機功率從l00kW突加至430kW，發電機組在雙燃料模式下頻率波動1.53％，相對于柴油模式1.2％的頻率波動有所增加，但不影響鉆井工作，試驗結果如表1所示。

 

4)切換模式對比分析。分別在500kW、600kW和650kW 3種工況下，進行天然氣切斷時的響應測試，最大頻率偏差2.27％，小于國家標準5％。分別在500kW(替代率55％)、600kW(替代率60％)和650kW(替代率65％)工況下，GTI機組頻率增加均沒有超過l％。試驗結果表2所示。

 

5)GTI技術在CAT3512A機組適用性試驗結論。在鉆進、起下鉆等工況下，進行的120h試驗和27d試運行，柴油機在GTI模式運行，排溫、振動等參數與柴油狀態相近，在安全范圍之內。切換試驗表明機組響應快速，對鉆井作業基本沒有影響。試驗條件下，替代率為57.64％，油氣當量為1.16時，燃料費用最低。

2．2　在CAT3512B機組上的應用試驗

在10口井的試驗中，GTI混合燃料技術基本能滿足各個工況下鉆機對柴油機動力的需求，對突加負荷的滿足能力較強，當運行參數超過設定的安全值，能立即平穩地轉為純柴油模式，保證動力供給的連續性。起下鉆工況下，4號柴油機最低排溫511℃，最高排溫576℃，均在安全范圍內。其排溫曲線和振動變化如圖6、7所示。

 

 

2．3　在濟柴190型機組上的應用試驗

鉆機在各種工況下主要參數均在安全值以內(排氣溫度小于等于650℃，發動機出水溫度小于等于90℃。試驗對比分析結果如表3所示。

 

適用性試驗結論為：環境溫度較高時，發動機的排氣溫度和出水溫度均比純柴油的高，且出水溫度接近或超過報警值90℃；使用GTI的濟柴機組完全滿足正常鉆進、提空游車、啟動鉆井泵、起下鉆等工況，司鉆操作方法與純柴油相同；GTI保護比較完善，在參數超過報警值時，會自動切換成純柴油模式。

3　深井鉆機動力機組的應用

3．1　適用性應用分析

3．1．1技術可行性

GTI混合燃料技術在CAT機組、濟柴190型機組上具有良好的可操作性，技術成熟，基本上能滿足在各種工況下鉆機對動力的需求，機組排溫、振動均在安全范圍以內，具有良好的技術可行性。

3．1．2對動力機組的影響

柴油機組在混合燃料狀態運行時，機組運行的各項參數與柴油機標定參數相近，在啟動、關閉等過程，發動機運行平穩，無異常。當負荷過低時，機組混燃模式下的排溫略高于純柴油模式，但仍在安全范圍以內，不對柴油機組的運行造成影響。

3．1．3對鉆井工藝的影響

GTI混合燃料技術能夠滿足鉆井作業過程中大部分工況的要求，在低負荷時，柴油機排溫升高，此時可以將GTI混合燃料模式轉換到純柴油模式。

3．2　應用規模

GTI混合燃料技術性能穩定，安全性高，具有良好的經濟效益。目前，GTI技術應用21個鉆井隊，應用井數40口，累計用氣量達935×10⁴m³。GTI混合燃料技術應用情況如表4所示。

 

3．3　經濟效益與環保分析

1)經濟效益。根據現場適用性試驗結果分析，綜合各工況特點使用1m³天然氣可以替代0.8L柴油^[11-13]；設天然氣4.75元／m³、柴油7.25元／L，每使用lm³天然氣可以節約人民幣1元。可有效降低鉆井成本。

2)環境保護。使用天然氣后能夠有效降低大氣污染物的排放量。根據當前已經使用的天然氣數量，減排情況如表5所示。

 

4　結論

1)現場試驗表明，GTI混合燃料技術在機組本身性能、鉆井工況的適應性、安全性等方面均能滿足現場鉆井作業要求，完全能夠適用于深井鉆井，柴油替代率在30％～60％時，各種工況下都能達到較好的機組性能和經濟效益。

2)使用過程中，中高負荷工況下，GTI混合燃料技術具有良好的經濟效益，能為井隊節約成本，其他工況時，井隊可以選擇停用混合燃料技術，改用純柴油模式，節約鉆井成本。

3)在同等負荷下，GTI混合燃料發動機的排煙明顯好于純柴油模式下發動機的排煙狀況，同時有效地減少大氣污染物的排放量，實現節能減排。該技術具有良好的推廣價值。

 

參考文獻

[1]田智會，鮑江慶，樓巧群．采用GTI Bi fuel system對柴油發電機組的雙燃料改造[J]．移動電源與車輛，20lO(4)：33-35．

TIAN Zhihui，BAO Jiangqing，LOU Qiaoqun．Retrofitted the dual-fuel diesel generating set by GTI Bi-fuel system[J]．Moving Electrical Source and Vehicle，2010(4)：33-35．

[2]李克，楊鐵皂，徐斌，等．天然氣／柴油雙燃料發動機研發現狀及發展[J]．河南科技大學學報：自然科學版，2004，25(2)：28-32．

LI Ke，YANG Tiezao，XU Bin，et al．Development and current situation of researches on CNG diesel dual-fuel engine[J]．Journal of Henan University of Science and Technology：Natural Science Edition，2004，25(2)：28-32．

[3]韓祥鵬，張宏博，顏慧，等．鉆井用柴油／天然氣雙燃料發動機的研究[J]．內燃機與動力裝置，2011(1)：17-21．

HAN Xiangpeng，ZHANG Hongbo，YAN Hui，et al．Research on diesel and NG duel fuel gas engine for oil drilling operation[J]．Internal Combustion Engines＆Powerplant，201l(1)：17-21．

[4]PATTERSON J，CLARKE A，CHEN R．Experimental study of the performance and emissions charactcristics of a small diesel genset operating in dual-fuel mode with three different primary fuels[C]//paper 2006-01-0050 presented at the Proceedings of SAE 2006 World Congress．Detroit．USA．Warrendale，Pennsylvania：SAE International，2006．

[5]楚書華，王麗君，熊樹生，等．490Q直噴型柴油機改裝成柴油—LPG雙燃料發動機的試驗研究[J]．內燃機工程，2004，25(4)：53-56．

CHU Shuhua，WANG Lijun，XIONG Shusheng，et al．Experimental research on 490Q D I engine refitted into diesel LPG dual fuel engine[J]．Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2004，25(4)：53-56．

[6]李繼志，陳榮振．石油鉆采機械概論[M]．東營：中困石油大學出版社，2006．

LI Jizhi，CHEN Rongzhen．Introduction of petroleum drilling machinery[M]．Dongying：China University of Petroleum Press，2006．

[7]李循跡，龍平，熊繼有，等．深井鉆機動力上的HZM混合燃料技術應用[J]．西南石油大學學報：自然科學版，2013，35(6)：166-172．

LI Xunji，LONG Ping，XIONG Jiyou，et al．Application of HZM bi-fuel system on power package of deep drilling rig[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2013，35(6)：166-172．

[8]尹佳．柴油／天然氣雙燃料發動機性能模擬研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010．

YIN Jia．Simulation study of gas／diesel dual fuel engine performance[D]．Harbin：Harbin Engineering University，2010．

[9]寧智，劉建華，張欣，等．天然氣／柴油雙燃料發動機燃燒特性的研究[J]．車用發動機，2001(1)：5-8．

NING Zhi,LIU Jianhua，ZHANG Xin，et al．The analysis of burning characteristic of natural gas-diesel duel fuel engine[J]．Vehicle Engine，2001(1)：5-8．

[10]童斌．淺析影響柴油機油耗因素及采取的節能措施[J]．科技資訊，20ll(34)：73-74．

TONG Bin．Influence factors analysis of diesel engine fuel consumption and energy saving measures[J]．Science&Technology Information，2011(34)：73-74．

[11]王立新，蘭志波．雙燃料發動機(天然氣／柴油)性能與排放的研究[J]．內燃機工程，2002，23(2)：32-35．

WANG Lixin，LAN Zhibo．A study on performance and exhaust emission of a dual fuel(CNG／Diesel)engine[J]．Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2002，23(2)：32-35．

[12]王虎林，陳仲．使用雙燃料發動機與普通柴油機作鉆機動力的經濟性分析[J]．內燃機與動力裝置，2009(1)：47-48．

WANG Hulin，CHEN Zhong．Dual fuel engine with ordinary diesel technical and economic comparative analysis[J]．Internal Combustion Engines＆Powerplant，2009(1)：47-48．

[13]王虎林，陳仲．雙燃料發動機與普通柴油機的技術經濟對比分析[J]．柴油機，2009，31(5)：19-20．

WANG Hulin，CHEN Zhong．Comparison analysis of technology and economic performance between dual fuel engine and ordinary diesel engine[J]．Diesel Engine，2009，3l(9)：l9-20．

 

本文作者：李循跡  龍平  熊繼有  宣培傳  侯秉仁

作者單位：中國石油塔里木油田公司

  “油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學

  新疆博瑞能源有限公司

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