天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用研究進(jìn)展

邵奇 王寧 閆立賀

摘 要：天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以其功率大、動(dòng)力性好等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外多個(gè)領(lǐng)域，具有十分廣闊的發(fā)展前景。在介紹天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)組成結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，重點(diǎn)論述天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)離心泵方面的優(yōu)勢(shì)，指出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)離心泵技術(shù)在我國(guó)長(zhǎng)輸管道上應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)，為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)；應(yīng)用；驅(qū)泵；進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)：U 262 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(zhǎng)距離輸送管道和油庫(kù)以及油田地面工程中常用設(shè)備的驅(qū)動(dòng)機(jī)有電動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)等原動(dòng)機(jī)。根據(jù)能量的轉(zhuǎn)換形式可將原動(dòng)機(jī)分為：熱力發(fā)動(dòng)機(jī)（熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能）和電力發(fā)動(dòng)機(jī)（電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能），其中熱力發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)燃料所在位置的不同又可以分為內(nèi)燃機(jī)和外燃機(jī)，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)屬于內(nèi)燃機(jī)的一種。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以其功率大、動(dòng)力性好等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外多個(gè)領(lǐng)域，具有十分廣闊的發(fā)展前景。

1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

1.1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)組成

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)由九大系統(tǒng)組成，分別是：進(jìn)/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(rùn)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(dòng)機(jī)的控制模塊

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要由兩個(gè)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(dòng)機(jī)電子控制模塊（ECM）相當(dāng)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的“中央司令部”，發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分功能都由其控制。該模塊固定在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面的接線盒內(nèi)是一個(gè)密封裝置。ECM 能夠監(jiān)控傳感器的各種輸出，在達(dá)到相應(yīng)條件時(shí)，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(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；

（2）調(diào)節(jié)燃料和空氣的進(jìn)氣/排氣旁通閥；

（3）操作燃料執(zhí)行器使燃料進(jìn)入燃?xì)鈪R管；

（4）操作阻風(fēng)門(mén)執(zhí)行器使空氣進(jìn)入進(jìn)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(hào)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(shí)間圖；

（9）控制點(diǎn)火正時(shí)、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(dòng)機(jī)每排氣缸的外側(cè)各有一個(gè)ICSM。在每個(gè)氣缸的排氣口處均有一個(gè)熱電偶，這個(gè)熱電偶由ICSM負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)。

ICSM的主要功能有[1]：

（1）監(jiān)測(cè)每排氣缸排氣口處氣體的實(shí)際溫度，從而計(jì)算出每排氣缸排氣口的平均溫度。

具體而言，ICSM計(jì)算得到排氣口的平均溫度后，與ECM發(fā)送過(guò)來(lái)的要求達(dá)到的排氣溫度進(jìn)行比較。ICSM計(jì)算出二者之間的差異，隨后向ECM傳送差異信息和修改信號(hào)。ECM根據(jù)修改信號(hào)智能的調(diào)節(jié)阻風(fēng)門(mén)執(zhí)行器，從而達(dá)到要求的排氣口溫度。

（2）ICSM可以計(jì)算出相對(duì)應(yīng)一側(cè)所有氣缸的平均燃燒時(shí)間。

具體而言，ICSM計(jì)算得到對(duì)應(yīng)側(cè)的氣缸平均燃燒時(shí)間后，與ECM發(fā)送過(guò)來(lái)的要求的燃燒時(shí)間進(jìn)行比較。ICSM計(jì)算出二者之間的差異，隨后向ECM傳送一個(gè)差異信息和修改信號(hào)。ECM 根據(jù)修改信號(hào)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(shí)間。

2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

2.1 氣缸的四個(gè)行程

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸有四個(gè)行程，分別為吸氣、壓縮、做功、排氣。這與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相同。

2.1.1 進(jìn)氣行程

活塞從上止點(diǎn)移動(dòng)到下止點(diǎn)，此時(shí)進(jìn)氣閥門(mén)打開(kāi)，排氣閥門(mén)關(guān)閉。

2.1.2 壓縮行程

活塞由下止點(diǎn)移動(dòng)到上止點(diǎn)，期間進(jìn)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(diǎn)移動(dòng)到下止點(diǎn)，期間進(jìn)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(diǎn)移動(dòng)到上止點(diǎn)，在此期間排氣閥打開(kāi)，進(jìn)氣閥關(guān)閉。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)的做功原理

為了便于說(shuō)明，將天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的做功原理進(jìn)行比較。

2.2.1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)做功的相同點(diǎn)

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)均經(jīng)歷了活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)各兩次的四個(gè)行程后，完成了一個(gè)工作循環(huán)。燃料在氣缸里面燃燒膨脹，推動(dòng)活塞在氣缸里上下滑動(dòng)驅(qū)動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，曲軸依靠飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性作用繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，周期性地重復(fù)上述各個(gè)過(guò)程，使發(fā)動(dòng)機(jī)不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，從而輸出功率。

2.2.2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)做功的不同點(diǎn)

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(dòng)機(jī)采用的是壓燃的方式對(duì)燃料混合物進(jìn)行燃燒，而天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)由于其燃料的自燃點(diǎn)要高于柴油，不易控制，難以壓燃[2]，故采用火花塞點(diǎn)燃燃料混合物的方式做功。

3 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 應(yīng)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛這一技術(shù)的發(fā)展過(guò)程大致分為三個(gè)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(wèn)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(dòng)機(jī)與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要差異，有三種燃料供給方式的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)：

（1）單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；

（2）雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；

（3）兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

3.2 應(yīng)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電

小型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)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(dá)到85%甚至更高[4]，這對(duì)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(dòng)機(jī)鉆井

由濟(jì)柴自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)滿足了鉆井平臺(tái)所需動(dòng)力的要求[5]，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)曾在中原油區(qū)的鉆井現(xiàn)場(chǎng)投入使用[6]，為減少發(fā)動(dòng)機(jī)由于故障而失去動(dòng)力的概率，采用發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的方式為鉆井提供動(dòng)力，從而提高動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，與柴油機(jī)相比，既節(jié)省了費(fèi)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)組

采用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)代替電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)制冷壓縮機(jī)，制冷效果明顯。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)的特點(diǎn)[7]：

（1）較高的部分負(fù)荷運(yùn)行特性；

（2）一次能源利用率高；

（3）結(jié)構(gòu)緊湊和運(yùn)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(hù)。

秦朝葵[8]等利用改裝的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和活塞式冷水機(jī)組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與電動(dòng)冷水機(jī)組相比，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)組具有較好的部分負(fù)荷特性。該實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新之處是采用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與壓縮機(jī)卸缸相結(jié)合的能量調(diào)節(jié)方法， 對(duì)其制冷性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析， 從而實(shí)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)

目前，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道上主要應(yīng)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)壓縮機(jī)。由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)壓縮機(jī)組的啟動(dòng)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(jī)組負(fù)荷、調(diào)試等因素的影響，使得天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)壓縮機(jī)組時(shí)存在啟動(dòng)困難的情況。這時(shí)如果有故障碼，可以根據(jù)故障碼進(jìn)行有針對(duì)性的排查和調(diào)試；如果沒(méi)有故障碼，則可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行檢查[9]：

（1）降低壓縮機(jī)組啟動(dòng)負(fù)荷；

（2）檢查啟動(dòng)系統(tǒng)；

（3）燃料氣氣路檢查。

3.6 應(yīng)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原油管道離心泵

到目前為止，我國(guó)由于存在技術(shù)問(wèn)題尚未將天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)泵技術(shù)應(yīng)用于原油管道上，國(guó)外有幾條原油管道已經(jīng)將天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)成功的應(yīng)用在驅(qū)動(dòng)離心泵運(yùn)行上。例如，2005年投產(chǎn)的巴庫(kù)-第比利斯-杰伊漢原油管道（BTC管道）[10]，耗資37億美元，全長(zhǎng)1 768 km，年輸量：5 000萬(wàn)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(dòng)機(jī)驅(qū)泵運(yùn)行。

4 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)泵技術(shù)的應(yīng)用前景

4.1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

（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(shí)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(diǎn)高于汽油，故天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性高于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。

（4）著火極限寬。天然氣燃燒時(shí)，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(dòng)機(jī)使用壽命長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性好。天然氣與傳統(tǒng)原料相比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的破壞較小，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，從而節(jié)約費(fèi)用[13]。

4.2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)泵的優(yōu)越性

往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)分為：天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、液態(tài)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)等。往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率相對(duì)較高且易于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，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(dòng)管道輸油泵的應(yīng)用上，往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)要比燃?xì)廨啓C(jī)更具優(yōu)勢(shì)[14]。

目前我國(guó)原油、成品油長(zhǎng)距離輸送管道和油庫(kù)以及油田地面工程中應(yīng)用較多的離心泵驅(qū)動(dòng)機(jī)有電動(dòng)機(jī)（具體的說(shuō)，是三相異步電動(dòng)機(jī)）、柴油機(jī)。

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(dòng)機(jī)驅(qū)泵是不經(jīng)濟(jì)的，也是不明智的。而此時(shí)，非電力發(fā)動(dòng)機(jī)就體現(xiàn)了它絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)不同地區(qū)的實(shí)際情況，選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)與泵進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)從而改變泵的特性，對(duì)輸油管道的運(yùn)行具有重大而深遠(yuǎn)的意義。

與柴油機(jī)相比，同是非電力式發(fā)動(dòng)機(jī)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以其熱效率高、動(dòng)力性能好、排放污染小等優(yōu)勢(shì)，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(dòng)機(jī)驅(qū)泵的技術(shù)難點(diǎn)

與其他發(fā)動(dòng)機(jī)相比天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)用于驅(qū)泵有一定的優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)外已有多條原油管道應(yīng)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)離心泵的運(yùn)行，但是由于存在一些技術(shù)問(wèn)題，在我國(guó)未見(jiàn)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)泵技術(shù)在長(zhǎng)輸管道上得以應(yīng)用，這些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題概括起來(lái)主要有：

（1）由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，有待于對(duì)泵機(jī)組的匹配時(shí)間和邏輯控制程序進(jìn)行優(yōu)化，從而縮短操作時(shí)間，提高工作效率；

（2）在不同的輸量下，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)需與離心泵的運(yùn)行模式進(jìn)行合理匹配，保證泵機(jī)組安全可靠的運(yùn)行，完成輸油任務(wù)；

（3）在遇到異常工況時(shí)，需對(duì)泵機(jī)組及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)和切換，必要時(shí)做緊急停輸處理，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)對(duì)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(yǔ)

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以其安全、清潔、動(dòng)力性能好等多方面的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)大型動(dòng)力設(shè)備、流體機(jī)械上，其中包括在交通領(lǐng)域作為大中小型車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)機(jī)，石油領(lǐng)域作為鉆井平臺(tái)油氣管道的原動(dòng)機(jī)等。目前國(guó)外已經(jīng)有多條原油管道已經(jīng)采用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)離心泵運(yùn)行，但在我國(guó)由于存在尚未解決的技術(shù)難點(diǎn)而使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)泵技術(shù)沒(méi)有切實(shí)地得以應(yīng)用，本文為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)泵技術(shù)的后續(xù)研究提供了參考。（下轉(zhuǎn)第1601頁(yè)）