GTI柴油機(jī)雙燃料系統(tǒng)在頁(yè)巖氣壓裂設(shè)備上的應(yīng)用

謝 猛，張樹(shù)立

（1.煙臺(tái)杰瑞石油服務(wù)集團(tuán)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264003；2.煙臺(tái)杰瑞石油裝備技術(shù)有限公司，山東 煙臺(tái) 264003）

隨著油價(jià)的不斷提高，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行成本成為目前行業(yè)研究的重要課題。油氣田壓裂設(shè)備是油氣田增產(chǎn)措施中的重要設(shè)備，其在致密氣、頁(yè)巖氣壓裂作業(yè)時(shí)設(shè)備相對(duì)固定時(shí)間長(zhǎng)、工作時(shí)間長(zhǎng)、功率消耗大、燃油消耗高，降低作業(yè)成本成為了一個(gè)重要的要求。近兩年隨著電驅(qū)動(dòng)壓裂設(shè)備的開(kāi)發(fā)與推廣，有了比較明顯的節(jié)能效果。但對(duì)于現(xiàn)存的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓裂設(shè)備，特別是對(duì)于用于頁(yè)巖氣壓裂作業(yè)的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓裂設(shè)備來(lái)講，如何降低燃料成本對(duì)于施工方來(lái)講是一個(gè)重要的課題。天然氣是比較經(jīng)濟(jì)的能源，而且頁(yè)巖氣的井場(chǎng)氣源比較充足，但如果采用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于壓裂設(shè)備來(lái)講面臨較大的困難，一是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)較相同功率的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的采購(gòu)成本高，二是壓裂設(shè)備特別是車(chē)載設(shè)備受到車(chē)輛載荷的限制，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)較相同功率的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)體積大、重量重，不適合在壓裂設(shè)備上應(yīng)用。所以對(duì)于現(xiàn)有的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓裂設(shè)備，采用何種方案來(lái)降低燃料成本？出租車(chē)油改氣已經(jīng)是大家非常了解的了，這種點(diǎn)燃方式的汽油機(jī)改為CNG燃料比較簡(jiǎn)單，但對(duì)于柴油機(jī)來(lái)講就需要研究新的燃料替代方案。美國(guó)Altronic公司于20世紀(jì)60～70年代就開(kāi)始推出的一種主要針對(duì)重型柴油機(jī)的GTI雙燃料改造系統(tǒng)，在不改變柴油機(jī)原有構(gòu)造的情況下，實(shí)現(xiàn)天然氣替代柴油做燃料。而且國(guó)內(nèi)也對(duì)柴油機(jī)雙燃料系統(tǒng)進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)，并在中小型發(fā)電機(jī)組、重型卡車(chē)、石油鉆機(jī)動(dòng)力等領(lǐng)域有所應(yīng)用。

1 GTI雙燃料系統(tǒng)技術(shù)介紹

1.1 GTI雙燃料系統(tǒng)的組成和工作原理

GTI雙燃料系統(tǒng)組成包括一套燃?xì)夤苈放c混合系統(tǒng)和一套控制系統(tǒng)。燃?xì)夤苈放c混合系統(tǒng)包括過(guò)濾精度50 um的燃?xì)膺^(guò)濾器、調(diào)節(jié)燃?xì)鈮毫Φ恼{(diào)節(jié)閥、控制燃?xì)獾碾姶砰_(kāi)關(guān)閥、調(diào)節(jié)燃?xì)饬康墓β书y和空氣/燃?xì)獾幕旌掀鳌？刂葡到y(tǒng)通過(guò)各個(gè)傳感器的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣歧管的壓力和溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)的真空度、尾氣排放的溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震以及供氣壓力的控制與監(jiān)控，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)是依靠柴油啟動(dòng)的。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，渦輪增壓器參與工作，渦輪增壓器之前的壓力低于大氣壓，GTI控制系統(tǒng)各傳感器檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)達(dá)到工作條件時(shí)，GTI系統(tǒng)混合器內(nèi)的甲烷氣體和空氣一起被吸入增壓器進(jìn)入氣缸參與燃燒，來(lái)替代一部分柴油。GTI系統(tǒng)的燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)閥將甲烷氣體壓力進(jìn)行調(diào)壓處理，保持零壓，由燃?xì)夤β书y嚴(yán)格控制混合的比例不超過(guò)3%，低于甲烷的自燃爆炸5%～15%的濃度，有效防止柴油機(jī)“飛車(chē)”和無(wú)法熄火，屬于完全被動(dòng)式工作。發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)，開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉，甲烷氣體不會(huì)被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)沒(méi)有氣源時(shí)，可以關(guān)閉GTI系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)只在柴油模式下工作。

甲烷氣體的爆炸極限濃度在5%～15%，由于GTI混合器的特殊結(jié)構(gòu)，保證摻入的甲烷氣體不會(huì)超過(guò)3%，所以所能替代柴油的消耗量最多為70%，并且只會(huì)提高不會(huì)降低柴油機(jī)的使用性能。

1.2 GTI雙燃料系統(tǒng)的特點(diǎn)

GTI 雙燃料系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：

①專門(mén)為重載柴油機(jī)設(shè)計(jì)，不僅適合持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)工況，也適合間歇工作工況；②不對(duì)柴油機(jī)本體進(jìn)行改動(dòng)，只在柴油機(jī)的空氣濾清器和渦輪增壓器之間加裝混合器；③加裝GTI系統(tǒng)后，保持原柴油機(jī)的輸出功率不變；④被動(dòng)吸入式工作，對(duì)燃?xì)鈮毫σ蟛桓撸?-5Psig即可滿足要求；⑤不對(duì)柴油機(jī)本體進(jìn)行改動(dòng)，改造成本低，改造以后，可以降低運(yùn)行成本；⑥改造后減少柴油燃燒量，減少積碳和顆粒的產(chǎn)生，減少對(duì)缸套、活塞環(huán)的磨損，降低維護(hù)成本；⑦系統(tǒng)可以自動(dòng)在柴油模式/雙燃料模式之間切換，能夠適應(yīng)不穩(wěn)定的燃?xì)夤?yīng)；⑧完善的控制和監(jiān)控系統(tǒng)，并可通過(guò)RS232/485 接入柴油機(jī)原有的監(jiān)控系統(tǒng)。

1.3 可燃?xì)怏w適用性

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用證明，GTI 雙燃料技術(shù)可以適合多種氣體，包括井口天然氣、油井伴生氣、壓縮天然氣（CNG）、液化天然氣（LNG）、煤層氣、生物氣等氣體燃料，這些氣體進(jìn)行過(guò)濾、脫水、脫硫和去除雜質(zhì)等預(yù)處理即可使用。

2 GTI雙燃料系統(tǒng)在頁(yè)巖氣壓裂設(shè)備上的應(yīng)用

2.1 GTI雙燃料在頁(yè)巖氣壓裂設(shè)備應(yīng)用實(shí)例

GTI雙燃料系統(tǒng)在國(guó)外已經(jīng)有較多的應(yīng)用，包括知名的油田服務(wù)斯倫貝謝、貝克休斯的鉆井動(dòng)力、發(fā)電機(jī)組等，在國(guó)內(nèi)的鉆機(jī)發(fā)電機(jī)組上也有少量的改造應(yīng)用。煙臺(tái)杰瑞石油裝備技術(shù)有限公司早在2012年就開(kāi)始對(duì)GTI雙燃料在壓裂機(jī)組上的應(yīng)用進(jìn)行研究，2015年首次將該技術(shù)應(yīng)用到中國(guó)制造的2000型壓裂設(shè)備上。該壓裂設(shè)備的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為MTU-DDC 12V4000，GTI雙燃料系統(tǒng)安裝如圖2所示。經(jīng)在廠內(nèi)測(cè)試最大的燃油替代率能夠達(dá)到70%，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在效率、穩(wěn)定性、負(fù)荷響應(yīng)能力等方面和原發(fā)動(dòng)機(jī)相同的性能。發(fā)動(dòng)機(jī)可以在全柴油模式和雙燃料模式之間順利相互切換，并且維持轉(zhuǎn)速和輸出功率不變，使用效果良好。之后又對(duì)一套10臺(tái)壓裂機(jī)組進(jìn)行了GTI雙燃料系統(tǒng)進(jìn)行了安裝應(yīng)用與測(cè)試，測(cè)試照片如圖3所示。并將該套壓裂機(jī)組成功出口美國(guó)。

圖2 GTI雙燃料系統(tǒng)在壓裂設(shè)備上的安裝照片

圖3 裝有GTI雙燃料系統(tǒng)的2000型壓裂機(jī)組測(cè)試

2.2 GTI雙燃料改造的綜合效益

GTI 雙燃料改造技術(shù)主要是通過(guò)減少柴油的使用量來(lái)降低運(yùn)行成本，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，雙燃料改造也將會(huì)給客戶帶來(lái)其他的效益：

（1）減少柴油使用量，降低運(yùn)行燃料成本。以上述2000型壓裂橇組為例，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為1680 kW（2 250 hp），發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率為0.202 kg/kW·h，按照平均功率1 343 kW（1 800 hp），每年工作2 000 h，按照目前油價(jià)時(shí)期0#柴油8元/kg計(jì)算則運(yùn)行一年的柴油成本為：

1 343 kW×0.202 kg/kW·h×8.0RMB/kg×2 000 h≈434萬(wàn)元

經(jīng)過(guò)GTI 雙燃料技術(shù)改造之后，按照最大70%的天然氣替代量，天然氣平均單價(jià)按照4.5 元/m3計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)的總排量為48.7 L，進(jìn)氣壓力為2.5大氣壓 ，按照進(jìn)氣中3%的天然氣，每千瓦小時(shí)消耗的天然氣量為：48.7 L×0.03×2.5×1 900/2×60×60/1680=744 L

總的燃料成本為：

柴油成本：343×0.3≈103萬(wàn)元

天然氣成本：1 343 kW×0.7×0.744 m3/kWh x 2000 x 4.5元/m3≈63萬(wàn)元

總成本為：103+63=166萬(wàn)元

節(jié)約成本：434-166=268萬(wàn)元

一臺(tái)12V4000 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的改造成本按照40萬(wàn)元計(jì)算，大概兩個(gè)月可回收投資成本。按照頁(yè)巖氣工廠化壓裂的規(guī)模，平均每套機(jī)組16臺(tái)2000型壓裂設(shè)備作業(yè)，一年可節(jié)省燃油費(fèi)用4288萬(wàn)元，如果使用井口氣，加上預(yù)處理費(fèi)用的平均價(jià)格在1元/m3左右，則經(jīng)濟(jì)效益更加可觀。

（2）減少?gòu)U氣排放，清潔環(huán)保。發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)GTI雙燃料系統(tǒng)改造之后，排放廢氣中的有害物質(zhì)大大減少，從測(cè)試得到的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放指標(biāo)圖如圖4中可以看出，氮氧化合物減少15%～30%，碳?xì)浠衔餃p少20%～80%，硫氧化合物減少50%～70%，顆粒物（PM）減少20%～50%，排氣煙度（OPACITY）減少30%～50%，非常有利于環(huán)境的保護(hù)。

圖4 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放指標(biāo)圖

（3）適應(yīng)不穩(wěn)定燃?xì)夤?yīng)。GTI系統(tǒng)有較強(qiáng)的氣體兼容性，多種氣體可以供應(yīng)以滿足使用，只要根據(jù)不同的氣體經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的預(yù)處理通過(guò)調(diào)節(jié)燃?xì)夤β书y即可滿足使用。另外GTI系統(tǒng)的天然氣壓力較低，只需1～5psig即可，不需要高壓管線，比較安全，管線成本較低。

（4）減少發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。燃燒部分天然氣，減少柴油燃燒量，有效減少積碳和顆粒的產(chǎn)生，減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、活塞環(huán)的磨損，延長(zhǎng)大修周期和機(jī)油更換周期，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，維護(hù)成本低，從而降低壓裂作業(yè)的成本。

（5）與純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，使用GTI雙燃料系統(tǒng)改造柴油機(jī)具有初期成本更低、能適應(yīng)不穩(wěn)定燃?xì)?、效率更高、減小體積和重量、減少操作和維護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 使用的主要事項(xiàng)

（1）嚴(yán)格控制天然氣的添加量，防止發(fā)動(dòng)機(jī)爆震。甲烷的自燃爆炸濃度5%～15%，所以發(fā)動(dòng)機(jī)吸入天然氣和空氣的混合的比例要嚴(yán)格限制不超過(guò)3%，防止發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，以免造成柴油機(jī)“飛車(chē)”事故。

（2）做好天然氣的前處理。特別是使用井口氣作為氣源時(shí)，做好脫水和除雜質(zhì)，防止管路堵塞造成供氣不暢，還要做好脫硫處理，防止硫進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸燃燒產(chǎn)生的硫化物對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的腐蝕。

3 GTI雙燃料系統(tǒng)在頁(yè)巖氣壓裂設(shè)備上的應(yīng)用前景

在美國(guó)，GTI系統(tǒng)也正迅速被應(yīng)用于頁(yè)巖氣壓裂作業(yè)。由于頁(yè)巖氣壓裂每隔80 m左右的距離就要壓裂一次，持續(xù)多處壓裂，產(chǎn)生的氣體經(jīng)處理可以給GTI雙燃料系統(tǒng)供氣，并且輸送管道也不需要高壓，基本與家中天然氣膠管的壓力相當(dāng)，管線成本也低，適合給壓裂車(chē)供氣，延長(zhǎng)大修周期和機(jī)油更換周期，降低壓裂成本也是十分可觀的。

我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量豐富，開(kāi)發(fā)前景非?？捎^，配備GTI雙燃料系統(tǒng)的壓裂設(shè)備具有更加環(huán)保、節(jié)能、安全、低成本、延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命等特點(diǎn)，對(duì)于頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)壓裂作業(yè)有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)上具有非常好的應(yīng)用前景。