原油發(fā)動機在原油長輸管道中應用探討

陳思

（中油國際貝尼管道公司）

0 引言

輸油主泵發(fā)動機的驅(qū)動方式根據(jù)燃料不同分為天然氣驅(qū)動、柴油驅(qū)動以及原油驅(qū)動。原油發(fā)動機是以柴油發(fā)動機為原型的改進機型，作為發(fā)電機的動力源在海上平臺應用較多［1］，但在原油長輸管道項目中的應用較少。原油發(fā)動機采購周期長、初始投資高、機體結(jié)構(gòu)以及配套設施較柴油發(fā)動機復雜，探討其在原油長輸管道中應用的技術經(jīng)濟可行性尤為必要。

1 原油發(fā)動機在原油項目的應用

原油發(fā)動機在原油長輸管道項目的應用相對較少。目前主要應用項目有：西江油田采用Caterpillar（卡特彼勒公司）的 3616型原油發(fā)電機為兩個采油平臺及一個FPSO（浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置）供電；哥倫比亞回注水項目采用了Caterpillar4臺9CM32C和2臺8CM20C原油發(fā)電機組，機組最大功率為2.72 MW；厄瓜多爾重質(zhì)原油管道公司的4座熱泵站采用了22臺Wartsila（德國瓦錫蘭）原油發(fā)動機驅(qū)動輸油主泵組成外輸泵機組；蘇丹原油輸送管道全線共設6座工藝泵站，泵站采用了原油發(fā)動機。

原油發(fā)動機在原油長輸管道項目中的應用較少的原因有以下幾個方面：

（1）初始投資大

輸油主泵初始投資中原油發(fā)動機占比較大，比電機投資高約3倍，比柴油發(fā)動機高約2倍。

（2）工藝技術復雜

原油發(fā)動機除了需配備原油處理系統(tǒng)外，還需配備潤滑油系統(tǒng)、燃料油系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、高低溫冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)。同時，原油發(fā)動機備用系統(tǒng)需要原油、柴油兩路燃料油供給。每一路燃料油都要配備日用罐、給油泵、調(diào)節(jié)閥、排污、排污罐、過濾器、日用罐、旁通閥、循環(huán)管路等設備。按照“先柴后原”的啟動要求，兩路燃料油供給系統(tǒng)還需保持絕對的獨立，確保兩種燃料油互不污染。

（3）對原油物性要求高

原油黏度高或者雜質(zhì)較多會降低發(fā)動機熱效率，燃燒產(chǎn)物的雜質(zhì)會腐蝕缸體，有些可能對發(fā)動機造成不可修復的損壞。原油物性限制了原油發(fā)動機的適用性。因此，原油發(fā)動機生產(chǎn)廠家對原油的黏度和雜質(zhì)含量有一定的限制范圍。

2 原油發(fā)動機技術可行性分析

2.1 原油發(fā)動機工作原理

原油發(fā)動機同柴油發(fā)動機工作原理一致，通過高壓將燃料油霧化，燃料油燃燒將熱能轉(zhuǎn)化為機械能。與柴油發(fā)動機相比，原油發(fā)動機燃燒器的噴射壓力較高，燃燒室內(nèi)溫度更高。原油發(fā)動機還需配備渦輪增壓裝置以增加新鮮空氣量，促進燃燒。

2.2 原油物性對發(fā)動機運行的影響

原油是烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和烯烴等多種液態(tài)烴的混合物。主要成分是C和H兩種元素，分別占 83%～87%、11%～14%。原油黏度較大且含有少量的S、O、N和微量的Na、K、Mg、Fe、V等元素，其中黏度和 S、Na、V等雜質(zhì)含量對發(fā)動機的影響較大［2］。

2.2.1 原油黏度的影響

當原油黏度超過發(fā)動機的額定極限時，燃料油難以霧化，燃燒不充分，降低發(fā)動機熱效率，造成燃料油浪費。其次，燃料油黏度過高，容易堵塞燃燒器噴嘴，導致發(fā)動機無法啟動，停機維修會影響長輸管道的連續(xù)運行。第三，原油黏度超標還會影響潤滑油系統(tǒng)。高黏原油燃燒不充分，燃燒不完全產(chǎn)物會污染潤滑油，增加潤滑油黏度，降低潤滑效果；潤滑油置換不及時，會堵塞機濾，造成發(fā)動機氣缸內(nèi)壁的機械損傷；縮短潤滑油的置換周期導致生產(chǎn)成本提高。

為保證原油發(fā)動機正常運行，原油發(fā)動機生產(chǎn)商都會限制原油黏度的極限值，入口黏度極限（50 ℃運動黏度）控制在300～700 mm2/s范圍內(nèi)。

2.2.2 原油雜質(zhì)的影響

原油雜質(zhì)（S、Na、V等）對發(fā)動機的影響主要是腐蝕，按照形成機理可分為冷腐蝕和熱腐蝕。冷熱腐蝕是指在不同溫度下，不同雜質(zhì)化學反應的產(chǎn)物附著在氣缸內(nèi)對氣缸表面的腐蝕。其中，冷腐蝕為原油中的硫元素與氧在 130 ℃左右（氣缸表面溫度分布不均）產(chǎn)生硫氧化物，硫氧化物與燃燒中的水蒸氣聚集在氣缸表面造成表面損傷，并會隨著尾氣流動，腐蝕渦輪殼體及排氣煙道。熱腐蝕指低熔點的金屬元素（Na、V等），在高溫工況下超過其熔點形成無機類沉淀物附著于氣缸表面，造成缸體表面的腐蝕。若直接使用長輸管道中的原油，其雜質(zhì)會對發(fā)動機的正常運行造成影響，降低發(fā)動機熱效率，增加潤滑油消耗，腐蝕氣缸，卡死發(fā)動機。為了降低冷熱腐蝕的影響，原油發(fā)動機應設置雙向冷卻水系統(tǒng)，將缸內(nèi)溫度穩(wěn)定在冷熱腐蝕不易發(fā)生的溫度區(qū)間。

通常泵站中配備原油處理系統(tǒng)或原油處理橇，通過升溫降低原油黏度并且通過水洗、離心過濾等方式洗去雜質(zhì)，以滿足發(fā)動機的入口條件，減少原油黏度和雜質(zhì)對原油發(fā)動機的影響。

2.3 原油發(fā)動機的改進

原油發(fā)動機是柴油發(fā)動機的改進機型。為了適應原油物性與柴油物性的不同，除了增加原油處理系統(tǒng)，原油發(fā)動機內(nèi)部原件也需進行相應的改進。

2.3.1 材料的改進

原油發(fā)動機燃燒室內(nèi)溫度較高，且原油中的S、Na、V會對發(fā)動機造成腐蝕，發(fā)動機部件應采用抗腐蝕耐高溫材料。如在相關部件上增加陶瓷涂層以獲得更好的耐熱性，對于高溫部件設置獨立的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。

2.3.2 燃料油噴射系統(tǒng)的改進

原油發(fā)動機與柴油發(fā)動機的點火方式相同,采用壓燃式。為滿足原油的芳香族化合物以及瀝青等燃燒性差的物質(zhì)充分燃燒，原油發(fā)動機應提高點火溫度和噴油壓力?？刹捎脙杉墖娚鋰娪忘c火，先由預噴油器噴射少量燃料油提高點火溫度，再啟動主噴射器，提高重質(zhì)燃料油燃燒能力。還可以采用高壓噴油泵給燃燒室噴油，不需預噴油器點火提溫，高壓泵將原油增壓霧化后直接點燃。

2.3.3 潤滑油系統(tǒng)的改進

原油不完全燃燒的產(chǎn)物會污染潤滑油，縮短潤滑油置換周期以及造成機濾堵塞。原油發(fā)動機在原有的潤滑油循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)增加一路旁通離心式潤滑油分離器，凈化被污染潤滑油。離心式潤滑油分離器利用不同物質(zhì)密度不同、慣性力不同的原理，高速旋轉(zhuǎn)將潤滑油的雜質(zhì)過濾出來。西江油田利用潤滑油分離器，將潤滑油的置換周期延長了5倍［3］。

2.3.4 渦輪的改進

為了使原油燃燒更加充分，原油發(fā)動機配置渦輪增壓裝置增加新鮮空氣量。燃燒后的高溫尾氣帶動渦輪，壓縮進氣，為燃燒室?guī)砀渥愕目諝饬?。在線渦輪增壓器具有在線清洗功能，定期清洗附著在渦輪葉片上原油燃燒產(chǎn)生的雜質(zhì)，保證葉片的流動特性，提高渦輪增壓裝置的性能。

3 原油發(fā)動機經(jīng)濟性分析

3.1 經(jīng)濟性比選方法

長輸原油管道泵站輸油主泵發(fā)動機通常采用柴油驅(qū)動或原油驅(qū)動。采用費用現(xiàn)值比選法對不同發(fā)動機選用的經(jīng)濟性比選。

費用現(xiàn)值比較法是計算比選方案的全生命周期的總費用現(xiàn)值并進行對比，應以費用現(xiàn)值（PC）較低的方案為優(yōu)。費用現(xiàn)值比選法計算公式如下：

式中：PC——費用現(xiàn)值，×104元；I——投資，×104元；C'——年經(jīng)營成本費用，×104元；Sv——計算期末回收的固定資產(chǎn)余值，×104元；W——計算期末回收的流動資金，×104元；ic——設定的折現(xiàn)率，%； (P/F,ic,t)——現(xiàn)值系數(shù)；n——計算期，a。

3.2 經(jīng)濟性比選參數(shù)

以某原油長輸管道中間泵站為例，共4臺原油發(fā)動機（3用 1備）。發(fā)動機為渦輪增壓、8缸 V型、燃油直噴式四沖程內(nèi)燃機。增壓比為 12.1，單泵功率為1 800 kW。選擇同樣參數(shù)的柴油發(fā)動機進行經(jīng)濟比選。

原油發(fā)動機年動力消耗量約60 653桶原油；柴油發(fā)動機年動力消耗量約8 294 t柴油。

基本經(jīng)濟參數(shù)為：

（1）計算期（n）31 a，其中建設期1 a，運營期30 a；

（2）原油價格按照每桶60美元計；

（3）柴油價格階梯油價（按每桶原油60美元）為6 150元/t；

（4）電價 0.55元/kW·h；

（5）折現(xiàn)率（ic）10%；

（6）遵循費用同口徑比選的原則，年經(jīng)營成本（C'）僅考慮泵組及配套工程范圍內(nèi)的費用，包括維修費、人工費用以及動力費用；

（7）維修費用按初始投資的2%計算；

（8）人員費用按照每人20×104元/a計算；

（9）計算期末回收的固定資產(chǎn)余值在運營期年全額折舊，故沒有余值；

（10）計算期末回收的流動資金（W），不同驅(qū)動方式的泵組所需的流動資金不同，考慮到單一泵組所需的流動資金不多，且長輸管道按30 a運營期計算，期末折現(xiàn)系數(shù)極低，不予考慮。

3.3 經(jīng)濟性比選結(jié)果

依據(jù)技術參數(shù)和經(jīng)濟參數(shù)，計算結(jié)果見表1。

表1 不同驅(qū)動方式經(jīng)濟性分析表 單位：104元

從表中可以看出，對于長輸管道項目，原油發(fā)動機雖然初投資高，但直接從管道取油，節(jié)省了配套儲罐，且運營費用低，31 a計算期費用現(xiàn)值低。因此，長輸原油管道中間泵站采用原油發(fā)動機有較好的經(jīng)濟性。

4 結(jié)束語

原油發(fā)動機在原油長輸管道項目的應用具有燃料油取材簡捷、燃料費用低、運營費用低等優(yōu)點。原油發(fā)動機本體及輔助系統(tǒng)的技術改進可以有效解決原油高黏及雜質(zhì)對原油發(fā)動機運行的不利影響，擴大了原油的適用性，從而滿足原油發(fā)動機長周期平穩(wěn)運行、降低維護成本的要求。對于原油長輸管道項目，相比柴油發(fā)動機，原油發(fā)動機費用現(xiàn)值低，值得在長輸管道項目中推廣應用。