摘 要

摘　要：美国Ahronic公司开发的GTI Bi-fuel混合燃料技术通过在发动机空气滤清器和涡轮增压器之间安装混合器，将天然气引入发动机，实现了2种燃料(柴油／天然气)在发动机燃烧室内同

摘　要：美国Ahronic公司开发的GTI Bi-fuel混合燃料技术通过在发动机空气滤清器和涡轮增压器之间安装混合器，将天然气引入发动机，实现了2种燃料(柴油／天然气)在发动机燃烧室内同时燃烧。塔里木盆地具有丰富的天然气资源，中国石油塔里木油田公司引进GTI混合燃料技术用于深井石油钻井是降低钻井成本、保护环境的较好方式之一。为此，对国产2种动力机组进行了改造，并试验研究混合燃料系统本身的操作性能，混合燃料运行对机组的影响，考察其是否满足钻井工况的要求适用性。结果表明，只要柴油机组在全柴油状态下能承担钻井作业要求，柴油机组在混合燃料状态下同样能完成。柴油替代率在30％～60％时，各种工况都能达到较好的机组性能和经济效益。GTI技术应用2a时间，已经在21个钻井队使用了天然气935×10⁴m³，应用井数40口。GTI技术具有良好的经济效益，安全、可靠，推广价值高。

关键词：GTI混合燃料技术  深井钻机  动力机组改造  适用性试验  现场应用  节能减排  环境保护

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混合燃料技术原理

GTI混合燃料技术是利用美国Altronic公司生产的GTI混合燃料系统对柴油机进行改造的技术^[1]。经GTI混合燃料技术改造的混合燃料发电机组，能够同时燃烧柴油和天然气。被改造的机组在启动和怠速时按纯柴油工作方式运行，达到混燃条件后进入混合燃料运行模式。GTI混合燃料控制系统允许原柴油机监控系统控制柴油机的转速，在恒定的负载下，由于额外吸入了天然气，柴油机燃料超出需要，柴油机的转速轻微增加，为了保持热值平衡和设定的转速，监控器会迅速调节减少喷油量，从而实现天然气对柴油的替代。反之，当已达平衡状态后天然气供给减少时，柴油机监控器会迅速实时动态地调节喷油量，建立新的燃油供给平衡，保持设定转速，维持柴油机正常运行。

1．1　系统组成

GTI混合燃料系统主要由3部分组成^[2-4]，即供气阀组、传感器组、控制柜(图1)。

 

1．1．1供气阀组

供气阀组主要由过滤器、减压阀、切断阀和功率阀组成。

1．1．2传感器组

用于检测系统的各项运行参数。

1．1．3控制柜

用于监控系统各项运行参数，同时可以实现混合燃料模式切换、闭环自动控制、远程监控等功能。

1．2　系统特点

GTI混合燃料系统对原有柴油机组的改动很小，同时易于安装，保护系统与原柴油机保护系统完全独立，系统出现故障时可不间断完全切换为l00％柴油机运行状态，保证机组正常工作。其机组在保持额定转速和负荷时，柴油的替代率可达到70％。同时，天然气运转可减少柴油机积碳，延长机组保养区间及机组运转寿命，降低机组大修成本。

1．3　钻机动力机组改造

天然气经过安装在柴油机空气过滤器和涡轮增压器之间的混合器进入气缸参与燃烧，经改造后的混合燃料发动机能维持柴油机相同的性能。混合燃料发动机可以在100％柴油模式和混合燃料模式之间自由切换，并且维持转速和负荷不变。

1．3．1混合器

安装在原柴油机的空滤和涡轮增压器之间，空气经过混合器之后形成一个低压扰动区。该低压扰动区有利于空气和天然气的高度混合。混合器结构及安装位置如图2所示。

 

1．3．2燃气阀组

由天然气流量调节阀、紧急切断阀、压力凋肯器和过滤器组成(图3)。过滤器用于滤除天然气中的污染物以保护系统和柴油机；压力调节器可以监测柴油机负载增减引起的柴油机真空度变化，从而保持设定的天然气进气压力。紧急切断阀内部包含2个相互独立的“常闭”状态的阀门。天然气流量调节阀用于控制给定负载时的天然气流量，可用于设定天然气／柴油替代率。

 

1．4　控制和监控柴油机运行参数

控制器根据各种传感器监测到的运行参数和事先在控制器中设置好的参数工作范围，判断运行参数是否超过设定值，进而决定是否关闭混合燃料模式。当控制器监测到运行参数超过设定值后会自动关闭混合燃料模式，使混合燃料柴油机转换到l00％柴油模式下运行。控制器监测的主要参数包括排气温度、进气温度、进气压力、发动机真空度、气缸振动、供气压力、压力调节器出口压力等，其中排气温度和振动最能体现混合燃料柴油机运行性能的参数。

2　深井钻机适用性试验研究

2．1　在CAT3512A机组上的应用试验

1)试验内容：混合燃料系统本身的操作性能^[5-7]；混合燃料运行对机组的影响；混合燃料运行是否满足钻井工况的要求；混合燃料运行的经济性试验。

2)排温和振动试验分析。试验功率为450kw，柴油机在柴油、混燃模式下运行300min(替代率33.81％)，排温和振动^[8-10]试验结果相差不大(图4、5)。

 

 

3)提空游车适用性试验结果分析。试验井深4000m，单机功率从l00kW突加至230kW，发电机组在双燃料模式下频率波动0.2％，相对于柴油模式0.2％的频率波动，无影响。起钻试验单机功率从l00kW突加至430kW，发电机组在双燃料模式下频率波动1.53％，相对于柴油模式1.2％的频率波动有所增加，但不影响钻井工作，试验结果如表1所示。

 

4)切换模式对比分析。分别在500kW、600kW和650kW 3种工况下，进行天然气切断时的响应测试，最大频率偏差2.27％，小于国家标准5％。分别在500kW(替代率55％)、600kW(替代率60％)和650kW(替代率65％)工况下，GTI机组频率增加均没有超过l％。试验结果表2所示。

 

5)GTI技术在CAT3512A机组适用性试验结论。在钻进、起下钻等工况下，进行的120h试验和27d试运行，柴油机在GTI模式运行，排温、振动等参数与柴油状态相近，在安全范围之内。切换试验表明机组响应快速，对钻井作业基本没有影响。试验条件下，替代率为57.64％，油气当量为1.16时，燃料费用最低。

2．2　在CAT3512B机组上的应用试验

在10口井的试验中，GTI混合燃料技术基本能满足各个工况下钻机对柴油机动力的需求，对突加负荷的满足能力较强，当运行参数超过设定的安全值，能立即平稳地转为纯柴油模式，保证动力供给的连续性。起下钻工况下，4号柴油机最低排温511℃，最高排温576℃，均在安全范围内。其排温曲线和振动变化如图6、7所示。

 

 

2．3　在济柴190型机组上的应用试验

钻机在各种工况下主要参数均在安全值以内(排气温度小于等于650℃，发动机出水温度小于等于90℃。试验对比分析结果如表3所示。

 

适用性试验结论为：环境温度较高时，发动机的排气温度和出水温度均比纯柴油的高，且出水温度接近或超过报警值90℃；使用GTI的济柴机组完全满足正常钻进、提空游车、启动钻井泵、起下钻等工况，司钻操作方法与纯柴油相同；GTI保护比较完善，在参数超过报警值时，会自动切换成纯柴油模式。

3　深井钻机动力机组的应用

3．1　适用性应用分析

3．1．1技术可行性

GTI混合燃料技术在CAT机组、济柴190型机组上具有良好的可操作性，技术成熟，基本上能满足在各种工况下钻机对动力的需求，机组排温、振动均在安全范围以内，具有良好的技术可行性。

3．1．2对动力机组的影响

柴油机组在混合燃料状态运行时，机组运行的各项参数与柴油机标定参数相近，在启动、关闭等过程，发动机运行平稳，无异常。当负荷过低时，机组混燃模式下的排温略高于纯柴油模式，但仍在安全范围以内，不对柴油机组的运行造成影响。

3．1．3对钻井工艺的影响

GTI混合燃料技术能够满足钻井作业过程中大部分工况的要求，在低负荷时，柴油机排温升高，此时可以将GTI混合燃料模式转换到纯柴油模式。

3．2　应用规模

GTI混合燃料技术性能稳定，安全性高，具有良好的经济效益。目前，GTI技术应用21个钻井队，应用井数40口，累计用气量达935×10⁴m³。GTI混合燃料技术应用情况如表4所示。

 

3．3　经济效益与环保分析

1)经济效益。根据现场适用性试验结果分析，综合各工况特点使用1m³天然气可以替代0.8L柴油^[11-13]；设天然气4.75元／m³、柴油7.25元／L，每使用lm³天然气可以节约人民币1元。可有效降低钻井成本。

2)环境保护。使用天然气后能够有效降低大气污染物的排放量。根据当前已经使用的天然气数量，减排情况如表5所示。

 

4　结论

1)现场试验表明，GTI混合燃料技术在机组本身性能、钻井工况的适应性、安全性等方面均能满足现场钻井作业要求，完全能够适用于深井钻井，柴油替代率在30％～60％时，各种工况下都能达到较好的机组性能和经济效益。

2)使用过程中，中高负荷工况下，GTI混合燃料技术具有良好的经济效益，能为井队节约成本，其他工况时，井队可以选择停用混合燃料技术，改用纯柴油模式，节约钻井成本。

3)在同等负荷下，GTI混合燃料发动机的排烟明显好于纯柴油模式下发动机的排烟状况，同时有效地减少大气污染物的排放量，实现节能减排。该技术具有良好的推广价值。

 

参考文献

[1]田智会，鲍江庆，楼巧群．采用GTI Bi fuel system对柴油发电机组的双燃料改造[J]．移动电源与车辆，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，杨铁皂，徐斌，等．天然气／柴油双燃料发动机研发现状及发展[J]．河南科技大学学报：自然科学版，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]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，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]楚书华，王丽君，熊树生，等．490Q直喷型柴油机改装成柴油—LPG双燃料发动机的试验研究[J]．内燃机工程，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]李继志，陈荣振．石油钻采机械概论[M]．东营：中困石油大学出版社，2006．

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

[7]李循迹，龙平，熊继有，等．深井钻机动力上的HZM混合燃料技术应用[J]．西南石油大学学报：自然科学版，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／天然气双燃料发动机性能模拟研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010．

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

[9]宁智，刘建华，张欣，等．天然气／柴油双燃料发动机燃烧特性的研究[J]．车用发动机，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．浅析影响柴油机油耗因素及采取的节能措施[J]．科技资讯，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，兰志波．双燃料发动机(天然气／柴油)性能与排放的研究[J]．内燃机工程，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，陈仲．使用双燃料发动机与普通柴油机作钻机动力的经济性分析[J]．内燃机与动力装置，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，陈仲．双燃料发动机与普通柴油机的技术经济对比分析[J]．柴油机，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：李循迹  龙平  熊继有  宣培传  侯秉仁

作者单位：中国石油塔里木油田公司

  “油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学

  新疆博瑞能源有限公司

  中国石油天然气运输公司沙漠运输公司