把柴油机改装成天然气柴油机

第王 卷 第 期 年 月 石 油 机 械 。 , 。 。 尹 ,,今 ,,含冲‘‘令 ,, ,‘ , ,阵‘, ,除 ,‘、飞 一一奋︸一一一 技术革新 气 , 。圈 , , , ‘ , 声 把柴油机改装成天然气柴油机 西 南石 油 学院 本刊特邀 作者 张世康 油田 开发中大量使用柴油机 , 每年消耗的柴油是很可观的 一台功率利用系 数 为 的 。型柴油机 , 平均油耗率为 马力小时以上 , 每小时消耗柴油 , 按平均 每 天工作 小时 , 每年工作 夭计算 , 每年消耗柴油 以上 油田 中有丰富的夭然气 , 如能使用天然气动力 , 节约柴油 , 那末石油工业将为四化建设 做出更大贡献 在油田开发中使用天然气发动机 煤气机 , 因为要求一定规 模 的 供 气系 统 , 存在一些实际困难 。 若将柴油机改装成天然气柴油机 , 可用天然气作主要燃料 , 也可用 纯柴油作燃料 , 是油田 中利用天然气资源的切实可行的办法 。 天然气柴油机消耗的柴油约为 原 消耗量的 , 可 以节约柴油 。 按每台 型 柴 油机每年消耗柴油 计算 , 则 每合天然气案油机每年不仅可节省柴油 , 而且节约的运输费用也是很可观的 。 一 、 天然气柴油机的特点 天然气柴油机是往气缸内送入天然气与空气的混合气并喷射少量柴油点火的柴油机 , 也 称双燃料发动机 主要燃料是天燃气 , 也可用其它气体燃料 国外早在四十年代就已使用双 燃料发动机 , ’ 国内有少量沼气柴油机在使用 , 天然气柴油机仅做过一些试验 。 迄今为止 , 有 关双燃料发动机工作过程的研究 , 似乎没有公开发的资料 这里只根据有限的实验观察 , 谈一点有关原理的问题 。 从示功图上看 , 柴油机以天然气运转时和纯柴油运转时并无明显差别 , 故可认为在同样 的工况下 , 每个循环加入的热量相等 。 但以天然气运转时 , 大部分热量由天然气供给 , 而小 部分 由柴油燃烧产生 。 通常点火柴油的数量可在额定油耗的 的范围内 , 所以每循环 由天然气供给的热量相当于 循环供柴油量的放热量 。 按此计算天然气和空气的混合 比 , 可说明天然气柴油机的混合气是很稀的混合气 天然气柴油机点火是多火源的 , 所以其速燃期的压力升高率应该高于柴油机 , 但实际上 天然气柴油机的运转比柴油机柔和 , 这可作如下解释 天然气柴油机因为点火油量很少 , 速燃期内燃烧的柴油远比柴油机少 , 而且在压缩过程 中 , 混合气中的燃料低温氧化可 以缩短柴油的着火落后期 , 而混合气的预混合燃烧则由于很 稀而有适当的燃烧速度 , 结果使天然气柴油机速燃期的压力升高率低于柴油机 。 天然气柴油机由于 一 的燃料是空气充足的预混合燃烧 , 空气利用率和热效率可高 石 油 机 械 第 卷 于柴油机 , 炭烟程度也可减轻 , 故可适当提高功率 。 至于柴油燃烧不完全所引起的严重结焦 或稀释机油等等 , 可以完全避免 。 天然气柴油机的点火油量是一定的 , 需调节天然气供给量以适应工况变化 。 当轻载时 , 因混合气太稀 , 使解烧速度降低而增长后燃期 , 因而排气温度将升高 同时 , 由于高压油泵 在低供油量时不均匀性的影响相对增大 , 使发动机运转不稳定。 所以轻载时最好是纯柴油运 转 , 或在进气管内增加阻流阀 , 来限制空气流量以加浓混合气 不过在使用 阻流阀时 , 要注 意不能使进气管内压力过低而引起回火 。 二 、 天然气流量估计和控制阀 进行柴油机改装 , 首先需估计天然气流量 但 目前询无成熟的流量计算方法 不过把天 然气柴油机作为就地利用廉价燃料的措施 , 而不是进行产品研究 , 并无必要进行精确的 设计计算‘ 只要进行简单的理论计算 , 改装完成后能进行调整就足够了。 如前所述天然气柴油机箫调节天然气流量以适应工况变化 。 估计流量的 目的是确定天然 气控制阀出口的最大流通截面积或直径 。 设柴油机额定功率的油耗 或常用功率的油耗 为 , , 燃烧后放出热量为 , 则 , 式中 , 。 —柴油的低热值 , 。 设点火油景为 , , 为点火油量与额定油耗 的百分比 , 二 。 假定输入的总热量不变 , 天然气的放热量为 。 , 则 一 , 设天然气的低热值为 。 , , 则天然气流量为 一 乙 。 一 , 天然气一 空气混合器的构造如图 所示 。 为了简化 改 装 , 也 可 以不用混合器而将天然气管直接插入空气滤清下的进气管中 设控制阀进 口压力为 , 温度为 , 出口压力为 , 温度为 , 如图 所示 , 则控制阀出口 截面上的理论流速为 , 式中 , ‘ 。 。 , 若 不于 —二 几」入 一 卜 会 荃淤 一 , ‘ , —天然气绝热指数 , 长 岛 ‘ —重力加速度 , 二 。 “ —天然气气体常数 , 二 · · , —控制阀进 口绝对压力 , “ , —控制阀出口绝对压力 , “ , —控制阀进 口绝对温度 , 图 天然气一空气混合器示愈图 减压器 控制阀 混合器 刁 空气滤清器 , 进气管 自然进气柴油机可取 , 二 水柱 。 “ , 即保持控 制阀进 口与进气管内的压差为 水柱 。 控制阀出口的实际流速可取 , , 弟 期 把朱油机改装成天然 气朱油机 控制阀出口的容积流量为 “ 是出口截面处的绝对温度 , 因为 一 一 嘟代入 式 , 得 认 一 二毕么 , 叼 久 设控制阀出口 截面积为 , , 则 。 一一或 步恋进气管 控制闷的出口直径 诬万 兀 」 不 , 、、、二二 图 容积流量对应的控制阀阀心 锥体宣径 控制阀由调速器操作 。 为了有较好的调速性能 , 应该便阀 的开度与流量有线性关系 ”假如便用锥形 阀 , 可如 下 进 行 设 计 将容积 流量 分成 。 , 。, , 。 · · ⋯ , 用这些流量 值分别确定对应的阀心锥体直径 如图 所示 。 阀杆的运动 阻力要尽可能小 , 以免影响调速器土作 , 因为阀内压力不高 , 阀杆可议不用密封件 若有必要 , 可在搁壳上角防漏盒与进气 管相接 如图 所示 , 以防止天然气漏泄 三 、 柴油机改装 自然进气柴油机只需简单改装高压油泵 , 增加天然气控制阀和天然气管线 , 就成为天然 气柴油机。 图 是全部改装示意图 , 使高压油泵齿条 脱离调速器 , 而 以弹簧支架 将它固 定在点火油量位置上 , 调速器则用来调节天然气控制阀 的开度 在调速器壳 顶部开长孔 , 其长度等于齿条行程 接杆 与齿条连接并伸出调速器壳 弹簧支架 名装在调速器壳顶部 , 支持在固定支点 和 中。 支点 是螺母和螺杆 , 可以调节 弹簧支架的位置 , 从而改变点火油量 详见 “ 六 、 关于点火油量 ” 弹簧 的心杆上有螺 母 , 用来调节弹簧的压缩量和平衡两根弹簧的作用力 。 弹簧力的大小要求高压油泵工作时 能推动齿条而不受压缩 接杆 与调速器杠杆 连接 , 并伸出调逮器壳 , 用来连接夫然气控材阀 假如控制阀 的行程不等于调速器行程 , 则可用杠杆连接 如图 蓉所示 但杠杆系统要尽量减小质量和 运动摩擦 , 以免影响调速性能 。 石 油 机 械 第 卷 天然气从减压器 经手动阀 送到控制阀 , 再送 到棍合器或直接送入进气管 如图 所示 发动机工 作时 , 手动阀 保持全开 , 进气管内 的压力 稍 低 于 大气压 。 , 控制阀前的压力 。 , 可用减压器 调节到适当值 —理论值是设计控制阀时所选定的压力, 不可能很理想 , 但一定能用减压器调节到适当值 , 使发动机运转良好 。 设置手动阀 的 目的是为了启动方便 。 启动时控制 阀处于全开位置 。 可缓慢打开手动阀 , 启动完毕后使之 全开 手动阀的另一用途是停车后可靠地切断天然气。 齿条用手操作也可用纯柴油启动 。 但启动完毕后放 开齿条和打开手动阀必须很好配合进行 , 要注意齿条位 于较大供油量时 , 若天然气供给过多 , 就会发生敲缸 , 假如很快放松齿条而天然气供应不足 , 则点火油量不足 以维持空载运转而停车 。 图 的改装方案中 , 若设计成齿条和调速器能在外 部连接 , 那末天然气柴油机可以随时恢复为柴油机 。 图 自热进气四冲程荣油机改装方案 高压油泵齿条 接杆 弹簧 支 架 固定支点 弹黄 螺母和弹簧盖 接杆 调速器杠杆 天然气控制阀 手动阀 减压器 。 空 气 滤清器 空气阻流阀 。调速器壳 调速器弹簧 四 、 天然气一柴油 自动切换 假如天然气不能保证正常供应 , 为了天然气柴油机使用方便 , 需考虑夭然气和柴油的 自 动切换。 图 中的弹簧支架可以由气动活塞 推动 距离 正常供气时 , 天然气压力使弹 簧 债画可 ⋯丁 一 二妥声子叫 图 搭钩 天然气一柴油自动切换 电磁阀 行程开关 气动活 调速器杠杆 手动阀 减压器 搭钩弹簧 支架保持在齿条的点火油量位置 , 若供气压力下降到一 定程度 , 则气动活塞的弹簧使弹簧支架向右移动 , 适当 增加点火油量 , 并使行程开关 接通 电磁阀 的操作 电 路 , 切断天然气供应 。 这时发动机转速继续下降 , 调速 器杠杆 顺时针转动 , 使搭钩 接合而推动齿条增加供 油量 , 这样就完成了切换 图 中弹簧支架移动的距离乙与气动活塞移动的 速 度及其弹簧力的大小有关 。 假如点火油量增加过多 , 使 每循环的燃料总量超过允许值 , 切换时会发生敲缸 所 以乙的大小应调节成搭钩 接合之前使电磁阀 切断 夭 然气供应 。 为了简化改装 , 切换完成以后 , 不必解除弹簧支架 的作用 。 因为齿条定位弹簧的作用力比调速器的作用力 小得多 , 对调速器性能的影响不大 气动活塞 的气缸进 口应有节流孔 , 使气缸内保持 塞 第 期 把柴油机改装成天然 气柴油机 天然气供气管内的平均压力 , 以免暂时的压力波动引起误动作 。 图 中的搭钩 在切换之后 , 可以手动使齿条脱离调速器而恢复天然气运转 。 五 、 四冲程增压柴油机改装方案 增压柴油机的扫气时间通常比 自然进气延长一倍以上 假如在进气管中送入天然气 , 就 有约 在扫气过程中排出气缸 , 这不但是浪费 , 而且可能在排气系统中引起燃烧 , 损坏涡 轮 , 也有可能危及环境安全 。 增压柴油机只能在排气门关闭之后开始供给天然气 , 需要定时 进气 。 但改装时不可能对柴油机进行重大改造 , 例如增加一个燃料配气系统是 不 值 得 的 。 图 型柴油机改装方案 配气阀 控制阎 、 传动臂 , 配气管 电磁 阀 手动阀 减压器 进气总管 气门罩 调节螺钉 各一空行程 简单改装方案如图 所示 , 在每个缸的进气歧管 上 有 独 立 的配气阀 。 为了简化机构 , 此阀 的开 度 是 一定的 , 天然 气流量仍 由控制阀 调节 , 与 自然进气柴油机相同 。 配气阀 由气门推杆通过两个传动臂 和 传动 , 这两个传动臂可装 在气门罩上 。 型柴油机的进气管内最高压力为 么 , 若配气阀前压力为 “ , 则配气阀出口直径为 左右 。 所以配气阀不需大的推动力 。 增加的传动机构 对 推杆和凸轮轴的影响主要是惯性力 。 只要尽量减小零件尺寸 并使用轻质材料 , 对原有配气机构不会有影响 用两个传动 臂的 目的是为了减小尺寸 , 同时也为了配气阀的行程不受推 杆行程的限制 。 配气阀 是柱塞阀 , 有一段空行程从如图 所示 。这段 行程所占的曲柄角就是气门重叠角 , 使供气开始时间在排气 门关闭之后 有了空行程各之后 , 配气阀的关闭时间 较 进气 门早 , 但这不会影响天然气供给量 , 因为可以适当提高供气 压力 , 增加流速以获得所需流量 , 也可适当提前开启 —减小各。 配气总管 的直径不能太大 。 否则总管容积过大 , 会使 压力变化缓慢而使调速作用延迟 。 子八丫 六 、 关于点火油量 使用天然气柴油机的 目的是为了节省液体燃料 , 当然希望点火油量尽可能少 , 但点火油 量的极限需考虑下面两个问题 不能影响喷油嘴头部冷却 通过喷油嘴的柴油使喷油嘴冷却 , 若点火油量过少 , 喷 油嘴将过热损坏 石 油 机 械 第 卷 点 火油量过 少时 , 发动机工作不稳 定 假如不是专用双燃料发动机的高压油泵 , 低 供油量时油量不均的影响已在前面提及 。 此外 , 点火油量影响稳定工作也同柴油机燃烧室的 形式有关 。 本院研究生于铁勇在实验中发现 , 涡流室柴油机的点火油量减小到额 定 油 耗 的 左右时 , 发生转速和循环最高压力有的波动 , 再减小点火油量就要熄火 。 分析其原 因 , 可能是点火油量过少时 , 大部分或者全部被空气旋流带到涡流室壁上 , 不能及时挥发燃 烧 , 而是相隔一个或几个循环后再燃烧 。 直接喷射双燃料发动机没有报道这种情形 由此可 以认为 , 点火油量的多少与燃烧室形式有关 , 不同的柴油机改装后 , 需通过试验确定其点火 油量 。 七 、 对天然气的要求 , 含硫很高的井 口 天然气, 因为腐蚀严重 , 不应使用 假如能设计简易的小型脱硫装置 , 那末夫然气柴油机在油田 中的使用就不受限制 尹 , ,创‘引 ,‘,令‘, , ,钊 , , ,今 , , ,圈 , ,,钊‘、 王科 技 简 讯 王 、 ,圈 , 。, ⋯阉 图 。, 川 , 声 大功率泥浆泵可提高钻井速度 近年来 , 胜利油田配备了一批大功率泥浆泵 , 提高了钻机的喷射钻井能力 , 平均机械钻 速和队年钻井进尺分别由 年的 和 提高到 年的 和 。 年 , 胜利油田配备了 马力以上泥浆泵的钻 机 台 , 其 中 , 配 备 一 泵的钻机 台 , 完井平均井深 , 机械钻速 。 扭 , 队年 进尺 配备 。。。泵和 一 。 。泵 的 钻 机 台 , 完 井 平均井深 , 机械钻速 , 队 年 进 尺 配备 一 泵的钻机 导谷 , 完井平均井深 , 机械钻速 , 队年 进尺 弓 泵比 泵和 泵的机械钻速分别提高 和 队 年 进 尺 分别提高 和 。 配用 泵的钻机取得较高经济效益的主要原因是该泵能在排量 , 泵压 舆“的工况下 , 满足 深井 名“ 扩井眼 单泵喷射钻进的工 艺要 求 购 置一台国产 。。泵的价格约 万元 , 同 泵价格相近 , 可 以取得较明显的经济效益 , 符合 弃少投入 , 多产出” 的原则 石油部科技司 本刊通讯员 齐敬思供稿 少歹 提 要 一 页 。耸卑卜条思翰勺君叫裂攀旧贫何食淤礴皖升奚 笨枯粥画哪礴留区便嘱解咐又省奈卜御州呀略︸带邻宕叫哄华旧节心宕代叫命令﹄。。。口。画咏言蜘卿 。叫蔺份性礴倒呀考日碑滚坎宝幸希雀以砷叫麟学喇节心命记卜毓专州铸 画 阵茗、界瓣叭的。内摄瓣豹二轶︽箕霉澳阵︾ 碱祭探捆秘如份矿 ︵坦解攫映名电︶零似物 。司姻珍畔卜书喇裂旧宕本牟咏恻侧半言溉钵常味 率回誉漩宕今考以星如命剥殊金叫卜有令帐州宫玛减术碑碗裂 廷坏匀︸于霉妻冲刁娜祝华恤岭从啼代省如荤。卞黔卜每州吩昭宕公毗幂划丰咧坦东称科叮如御叮琪树深标常材砖 叹邵州画 阿砚昊姗叭切。州、那姗物蒸姗︽塔寡澳冲︾ 蟹翰暴啊澎需深椒履嘟椒燎黔嫂︵命毒豁日味笨宙演︸卡蔑艇未 七叼本琪匆演碟田夺砚恰掌娜叫︸瑛箕滚命何演谋 记笑叫专材喇叭蓄侧举解叫貂畴记城以礴。层懊碟记芝叹愈嘴映侧 。纵长裂侧雾奚演碟喊暂孚女宙梁宾演姗艇女昏记喇城恤卜块专某令州铸莫演珊记芝叹荤危宾称侧布笔拭宕本寒食︵钢气︶演联条︵啄叫︶记城咐峭娜侧基演碟李份演碟盆招纲岭专 叭嘴乍记芝叫公日演 一阵︸卡夺留卜匆 瞬画 斌霖胃姗仇。叫县姗脚渭姗︽算霉澳阵︾ 写用涨矿蕊以贺桨裕易懊戮裂 ︵醒价演咬屯甫︶码书系 一。琴艰侧畜嵋谁摧尼渺戮军取侧戳岖产水哪会软理吻戮一举场卜回哄叫哪叫、今晰瘫宕群案衡对常琪报考 。有奈卜一七州︸呢币邹娜喇口︸军了咯水哪。戮皿宕于味常幸、骤吻蜂赞一困专 ﹃嘶考侧军絮。了一哪案食恻铸。令珊专咧铸一哪圈一阵卜叫姗 、切黔暇羁瓣物哪叫瓣︽塔撼浑阵︾一骤嵘黔绷泌髯叙洲船撇框矍箕易食恻︸八发长奋畴州军宾以攀演哎班叫︶别怜协 一 — 一一 — 一 — 一 — 一 ——,︸了卜路目卜塌粼口﹃。同洞。写﹃台益白右。﹄众‘山︸切川﹃忿。留的目招月备引︺﹄荔叼﹄一口。﹄。洲祠叨目一︺抽日欲︶明抽。川。︸︸‘目。日日。。甲饵侧田的的,︺的﹃勺卜弋点昌。﹃祠和时孰。﹄忆的切侧﹃洞的公﹄口的们。﹄弘。利的日。︸祠喇切口一弘。曰。二侧乞卜当尸胃。息﹃和。。兰。。、。卜瞥︸利。。︸︸。。。妇。。︸。巴曰︸。﹃因卜己·。。么。口明︸国泪一侧。︸邸切︸妇山卜川﹃︸们助留﹃叼︸。们。构的们。抽以工一‘﹄口﹃﹄戈。司的。口。卜居。比月召勺昌兰日洲弘棍三的口。偿缪岑飞卜勺﹃丫轴屯。恨侣卜 比妇闪卜切二﹄工的。‘的的。之艺一。卜署两口 。,一记 琳。二。嘿﹄哪。二仍。︸压。‘。。润。行任。韦。之口 。二。 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