天然气发动机在中原油区的试验研究.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 3年第 4 1 卷第 2期 ●钻井技术与装备 天然气发动机在中原油区的试验研究 张永学 焦佩云 刘廷琪 孙刚云 侯虎灿 1 ．中国石油大学 北京机械与储运工程学院2 ．中原石油勘探局钻井四公司 3 ．济南柴油机股份有限公司 摘要为了验证新天然气发动机的性能，同时为其升级改造提供依据，对其进行 了现场试验。 试验结果表明，与纯柴油机驱动钻井相比，并联混合使用天然气发动机和柴油机后，完成卫 3 4 91 0 井的钻井任务可减少碳排放 3 6 ． 0 5 ％，节约燃料费用 2 1 ％ ；完成卫 3 4 9平 1井的钻井任务可减少碳排 放2 0 ． 1 9 ％。天然气发动机故障主要表现为中冷器炸坏和气缸不工作。发动机后燃，气门下陷，火花 进入进气管而发生回火是导致 中冷器炸坏的直接原 因；气缸不工作则是 由于火花塞积碳损耗 了点火 能量，致使发动机不能正常点火。数值模拟结果表 明，当发动机在小载荷工作时，后燃加剧，进 、 排气门较长时间处于高温气体 的包围中，致使进、排气门更易发生变形，造成气门下陷。 关键词天然气发动机；故障分析；回火；火花塞；积碳 ；数值模拟 中图分类号 T E 9 2 4 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 0 3 Ex p e r i m e n t a l S t ud y o f Na t ur a l Ga s En g i n e i n Zho n g y u a n Oi l Re g i o n Z h a n g Yo n g x u e J i a o P e i y u n L i u T i n g q i S u n Ga n g y u n Ho u Hu c a n 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l ，S t o r a g e a n d T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y of P e t r o l e u m，B e ifi n g 2 ． N o ．4 D r i l l i n g C o m p a n y of Z h o n g y u a n P e t r o l e u m E x p l o r i n g B u r e a u 3 ． J i n a n D i e s e l E n g i ne C o ． ， L t d ． Ab s t r a c t To v e r i f y t he p e r f o r ma n c e o f t he n e w n a t u r a l g a s e n g i n e a n d p r o v i de t h e b a s i s f o r i t s u p g r a di ng a n d mo d i fic a t i o n，t h e fie l d t e s t o f i t wa s c o n d u c t e d． T he t e s t r e s u l t s h o ws t h a t c o mp a r e d wi t h f u l l d i e s e l e n g i ne d riv e d ril l i n g，c o mp l e t i o n o f d ril l i n g t a s k i n W e l l W e i 3 4 9 1 0 c a n r e d uc e c a r bo n e mi s s i o n b y 3 6． 05 ％a n d s a v e f u e l c o s t s b y 2 1 ％a f t e r pa r a l l e l mi x e d u s e o f n a t u r a l g a s e n g i n e a nd d i e s e l e n g i ne ．Co mpl e t i o n o f d r i l l i n g t a s k i n W e l l We i 3 4 9 P i n g 1 c a n r e d u c e c a r b o n e mi s s i o n b y 2 0 ． 1 9 ％ ． T h e f a i l u r e s ma i n l y i n c l u d e i n t e r c o o l e r b l o wu p a n d c y l i n d e r f a i l u r e ．T h e e n g i n e p o s t c o mb u s t i o n， v a l v e s i n k a g e a n d t e mp e r i n g c a u s e d b y t h e e n t r y o f s p a r k i n t o a i r t u b e a r e t he d i r e c t r e a s o n s for i n t e r c o o l e r b l o wup ． Cy l i n d e r f a i l u r e i s d u e t o t h e wa s t e o f i g n i t i o n e n e r g y b y s p a r k p l u g f o u l i n g ．As a r e s u l t n o rm a l i g ni t i o n c a n n o t b e c o nd u c t e d wi t h t h e e n g i n e ．Th e n ume r i c a l s i mul a t i o n f u r t h e r p r o v e s t h a t wh e n t h e e n g i n e o pe r a t e s wi t h i n t h e s c o pe o f s ma l l l o a d，a g g r a v a t i o n o f po s t c o mb us t i o n a nd l o n g - t i me e n c l o s u r e o f i n t a k e a n d e x ha u s t v a l v e s i n h i g h t e mp e r a t u r e g a s ma k e t h e v a l v e s d e f o r m mo r e e a s i l y，r e s u l t i n g i n v a l v e s i n k a g e ． Ke y wo r ds n a t u r a l g a s e n g i n e； f a i l u r e a n a l y s i s ； t e mp e r i n g； s p a r k p l u g f o ul i ng； n u me ric a l s i mul a t i o n 0 引 言 随着燃油价格的不断攀升，钻井成本不断增 加，钻井动力设备燃油消耗至少 占钻井成本 的 3 0％ ⋯ ， 而柴 油 消耗 约 占钻井 能耗 的 8 7 ％[ 2 - 3 ] 。 据统计，1台7 0 0 0 m钻机平均每个工作台月消耗 柴油 1 3 5 t ，尾气排放 1 ． 6 21 0 。 m ；4 0 0 0 m钻机 平均每个工作台月消耗柴油7 5 t ，尾气排放0 ． 8 9 X 1 0 。 m 。尾气中含有大量的 C O 、H C 、N O 苯和 铅等有害气体及致癌物质，给人类健康和环境带来 了极大的危害。 面对现状 ，济南柴油机股份有限公司研发了可 替代钻井用柴油机 的 G 1 2 V 1 9 0 P Z L T 3型天然气发动 基金项 目北京市交叉学科重点学科低碳能源工程和中国石油大学 北京青年教师专项培养基金项 目 K Y J J 2 0 1 2 0 41 1 。 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1卷第 2期 2 ． 2 效 益分 析 试验中卫 3 4 91 0井为常规开发井 ，完钻井深 3 5 0 0 m，钻井周期 为 4 1 d 。该井 在生产 过程 中， 天然气发动机运行较为平稳，出现故障较少。与单 纯使用柴油机相 比，该井少消耗柴油 1 2 0 t ，代替 柴油消耗 的是 1 3 0 t 天然气。该井燃料费用节约率 达 2 1 ％ ，碳排放减少率达 3 6 ． 0 5 ％。 卫 3 4 9平 1 井为水平井 ，井深 3 4 5 5 m，钻井 周期为 1 2 5 d 。天然气发动机在该井试验过程 中多 次出现故障 ，且 因故障而造成 的非生产 时间约 1 5 d ，因而在经济效益分析时应加入 因故障耽误生产 时间所造成损失的计算。在该井 中，因单位燃料价 格差额而节约的燃料费用为 2 7 ． 8 3万元 ，节约率达 7 ． 7 9 ％。同时 ，该井碳排放减少率达 2 0 ． 1 9 ％。但 发动机因故障耽误了正常的生产时间，若根据正常 生产过程 中井 队人员 E t 常生活费用和设备维护费用 估算 ，则每 日额外消耗为 4万元 ，因此 由于发动机 故障时间而多消耗 的费用为 5 8 ． 7 5万元 ，卫 3 4 9平 1 井则亏损 3 0 ． 8 8万元 ，亏损 比率为 8 ． 6 ％ 。 通过对卫 3 4 91 0井和卫 3 4 9平 1 井 的经济及 环境效益的分析可以发现 ，使用天然气发动机后可 以有效减少碳排放 ，减少钻井生产 中对 环境 的污 染，同时有效降低燃料费用。但对比卫3 4 9 1 0 井 和卫 3 4 9平 1 井的综合经济效益可发现 ，当天然气 发动机频繁出现故障时，反而可能导致钻井成本的 增加。因此 ，迫切需要对钻井过程 中出现的天然气 发动机故障进行分析以寻求有效的解决措施 ，从而 为天然气发动机的改进提供参考 ，推进钻井行业节 能减排 的实施。 3 数值模拟及分析 试用 中出现的主要问题有中冷器炸坏和气缸不 工作 。初步分析表明，发动机后燃 ，气门下陷，火 花进入进气管而发生回火是导致中冷器炸坏的直接 原因；气缸不工作则是 由于火花塞积碳损耗了点火 能量，致使发动机不能正常点火。为验证并定量判 断这2个故障原因，针对钻井生产过程中载荷变化 范围大，发动机多工作在非额定载荷工况下以及载 荷突变频繁等特点，对发动机在不同载荷和载荷突 变时缸内高温、高压燃烧过程进行数值模拟研究。 3 ． 1 计算模型和初始条件 缸内燃烧模拟过程是从进气门关闭时刻起到排 气门开启时刻止，设定上止点为 3 6 0 。 C A C A指 曲轴按顺时针方 向旋转 ，则进气 门关闭时刻为下 止点后 5 8 。 C A，即指计算从 2 3 8 。 C A开始，而排气 门开启时刻为下止 点前 5 4 。 C A，即指计 算到 4 8 6 。 C A结束。选用的湍流模 型是由 Y a k h o t 等 建立的 适用于旋流的 R N G， ． 双方程模 型，燃烧模 型选 用是 以 Z i m o n t 等 一 的工作为基础 ，涉及求 解一 个关于反应进程变量的输运方程的预混燃烧模型。 计算的发动机运行参数有 活塞上止点与气缸盖间 隙 1 3 m m，连杆长度 4 1 0 m m，曲轴 回转半径 1 0 5 m m，进气终 了缸 内压力 3 4 6 k P a ，进气终了缸 内温 度 4 0 0 K 额定 。 3 ． 2 计算结果及分析 图 3为发动机额定载荷数值模拟压力值和试验 值的对 比。 图 3额 定 工 况 气 缸 内压 力 的模 拟数 值 和 试验 值 对 比 F i g ． 3 C o mp a r i s o n o f s i mu l a t i o n v a l u e a n d t e s t v a l u e o f p r e s s u r e i n c y l i n d e r u n d e r r a t e d o p e r a t i n g c o n d i t i o n s 从 图可 以看 到，计 算值和试验值整 体趋势一 致 ，平均 绝 对 偏 差 为 3 ． 3 2 ％ ，最 大绝 对 偏 差 为 4 ． 8 2 ％，说明计算所选模型是可靠 的。利用数值模 拟可以预测天然气发动机 内的热流场 ，并对现场存 在的故障原因进行理论分析。 图4为各种载荷下气缸内温度对 比曲线。从图 可以看 出 ， 在各种 载荷下 气缸 内温度 曲线 的对 比 图 4 不 同载荷下气缸 内温度对比 F i g ． 4 C o mp a r i s o n o f t e mp e r a t u r e s i n c y l i n d e r wi t h d i f f e r e n t l o a d s 2 0 1 3年第4 1卷第2期 窦亮彬等环空充气钻井工艺设计及参数分析 随井 口回压变化 ，环空压力变化幅度较小 ，更加缓 和 ，易于调节。 4 该项研究成 果对其他方式 的环空注气工 艺参数设计优化也具有指导与参考价值 。 参考文献 [ 1 ] 夏宏南 ，韩先柱 ，朱忠喜 ．充气钻井井筒流动稳定 性研究 [ J ]．石油天然气学报， 2 0 0 9， 3 1 6 1 2 3 1 2 6． [ 2 ] Wi l l i a m C L，B o y u n G，F r a n k A S ，e t a 1 ． A i r a n d g a s d r i l l i n g ma n u a l[ M]． [ S ． 1 ． ] Mc G r a w H i l l P r o f e s ． s i o n a l ，2 00 0． [ 3 ] 周英操 ，翟洪军 ．欠平衡钻井技术与应用 [ M]． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 3 81 2 ． [ 4 ] C h e n g H，H i l l s J H，A z z o r p a r d i B．I ． A s t u d y o f t h e b u b b l e - t o -- s l u g t r a n s i t i o n i n v e r t i c a l g a s l i q u i d fl o w i n c o l u m n s o f d i f f e r e n t d i a m e t e r『 J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u r - n a l o f M u h i p h a s e F l o w，1 9 9 8 ， 2 4 3 4 3 1 4 5 2 ． [ 5 ]H a s a n A R，K a b i r C S ． A s t u d y o f mu h i p h a s e f l o w b e h a v i o r i n v e r t i c a l w e l l s[ R]． S P E 1 5 1 3 8 ，1 9 8 6 ． [ 6 ]Ha s a n A R，K a b i r C S ． T w o p h a s e fl o w i n v e r t i c a l a n d i n c l i n e d a n n u l i[ J ]． I n t ． J ． Mu h i p h a s e F l o w，1 9 9 2 ， 1 8 2 2 7 9 2 9 3 ． [ 7 ] 陈家琅， 陈涛平 ．石油气液两相管流 [ M]．北京 石油工业 出版社 ， 2 0 1 0 5 2 5 8 ． [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] Ch e n N H． An e x p l i c i t e q u a t i o n f o r f r i c t i o n f a c t o r i n p i p e [ J ]． I n d ． E n g ． C h e m ． F u n d a m，1 9 7 9 ，1 8 3 2 9 6 2 9 7． Ha s a n A R，K a b i r C S ． Mo d e l i n g t w o p h a s e fl u i d a n d h e a t fl o w s i n g e o t h e r m al w e l l s [ R]． S P E 1 2 1 3 5 1 ， 2 0 09 ． Ga o C h a n g h o n g ． Emp i r i c al h e a t t r a n s f e r mo d e l for s l u g fl o w a n d b u b b l e fl o w i n v e rt i c a l s u b s e a p i p e s[ R]． S PE 8 5 6 51，20 0 3． T a k a c s G． C o mp a r i n g me t h o d s f o r c a l c u l a t i n g Z - f a c t o r [ J ]． O i l and G a s J o u r n a l ，1 9 8 9 ，8 7 2 0 4 3 4 6 ． 吴晗，吴晓东，张庆生，等．普光气田高含硫天 然气粘度计算模型优选与评价 [ J ]．石油天然气 学报 ，2 0 1 1 ，3 3 7 1 5 71 6 0 ． 第一作者简介窦亮彬 ，生于 1 9 8 6年 ，中国石油大学 北京在读博士研究生 ，研究方 向为油气井流体力学与 井筒多相流。地址 1 0 2 2 4 9 北京市昌平区。电话 0 1 0 8 9 7 3 3 9 8 8 。 E ma i l 7 7 1 2 9 d o u 1 6 3 ． c o n。 通信作者李根生，教授 ，博士生导师，Em a i l l i g s c u p ． e d u ． c n 。 收稿 日期 2 0 1 21 01 8 本 文编辑南丽华 上接第 l 3页 发动机频繁 出现 回火和火花塞积碳 ，尽管碳排放减 少 2 0 ． 1 9 ％，但 因工 期延误导 致综合 费用增加 8． 6 3％ 。 2 小载荷或发 动机转速 突增时 ，发 动机 的 后燃会加剧，进、排气门长时间被高温气体包围而 易变形 ，造成气门下陷，导致密封损坏 ，缸 内高温 高压燃气进入进气管而炸坏 中冷器。同时 ，气缸 内 出现后燃会使燃烧不完全 ，导致火花塞积碳严重而 过分损耗点火能量 ，使发动机不能正常点火。 [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 韩祥鹏，张宏博，颜慧，等 ．钻井用柴油／ 天然气 双燃料发动机的研究 [ J ]．内燃机与动力装置， 2 0 1 1 ，1 2 1 1 1 7 2 O ． 许立华 ，宋颖 ．钻井行业能源消耗统计分析报告 编写探索 [ J ]．论文集粹 ，2 0 0 8 ，2 4 1 0 5 3 3 35 ． 邱中建，赵文智，胡素云，等 ．我国天然气资源潜 力及其在未来低碳经济发展中的重要地位 [ J ]．中 国工程科学，2 0 1 1 ，1 3 6 8 l一 8 6 ． [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 孙成香，李全武，郑圣彬，等 ．钻井平台用天然气 发动机的设计开发 [ J ]．铁道机车车辆，2 0 1 1 ，3 1 增刊 1 8 1 8 2，9 1 ． Ya k h o t V， Or s z a g S A ． Re n o r ma l i z a t i o n g r o u p a n a l y s i s o f t u r b u l e n c e ．I ．B a s i c T h e o r y 『 J ]． J o u rna l o f S c i e n t i fi c C o m p u t i n g ， 1 9 8 6 ， 1 1 3 5 1 ． 解茂昭．内燃机计算燃烧学 [ M]．大连大连理 工大学出版社，2 0 0 5 9 ． Z i mo n t V， P o l i f k e W ， B e t t e l i n i M ， e t a 1 ． An e ffi c i e n t c o mp ut a t i o n al mo d e l for p r e mi xe d t ur b u l e nt c o mbu s t i o n a t h i g h Re y n o l d s n umb e r s ba s e d o n a t u r b ul e n t fla me s p e e d c l o s u r e [ C ]∥ I n t e r n a t i o n al G a s T u r b i n e a n d A e r o e n g i n e C o n g r e s s a n d E x h i b i t i o n， O r l a n d o， F L， E T A T SU N I S ，1 9 9 8 ，1 2 0 3 5 2 65 3 2 ． 第一作者简介张永学，副教授 ，生于 1 9 7 7 年 ， 2 0 0 5 年毕业于清华大学热能工程系，现从事水力机械及燃烧等 相关领域的研究工作。地址 1 0 2 2 4 9 北京市昌平区。电 话 0 1 0 8 9 7 3 3 1 4 6 。Em a i l z h y x c u p ． e d u ． c n 。 收稿 日期2 0 1 21 0 2 3 本文编辑赵连禄