钻井平台用天然气发动机的设计开发

孙成香，李全武，郑圣彬，孙乐美，李治朋

（中国石油集团 济柴动力总厂，山东济南250306）

由于全球油气需求旺盛和原油价格持续走高，钻井动力的需求持续增加。而现有平台使用的发动机均为进口柴油机和双燃料发动机，目前大部分已进入老化期；钻井平台用天然气发动机的研制将可以替代进口发动机，充分利用钻井产生的油田伴生气，为钻井平台区域提供性能先进、质量可靠的发电设备。

1 天然气发动机主要技术参数

钻井平台用天然气发动机的主要技术参数见表1。

表1 天然气发动机主要技术参数

2 总体设计

钻井平台用天然气发动机的研制开发是借助我公司多年研制气体发动机的成功经验，在消化吸收国外先进技术基础上，自主开发的一种适用于低压燃气、高智能化、热耗低、可靠性好、低排放、长寿命的天然气发动机。

为了满足中国船级社CCS的认证要求，钻井平台用天然气发动机在设计过程中，有针对性地对重要零部件进行了重新计算与设计。

钻井平台用天然气发动机的三维模型设计如图1所示。

图1 钻井平台用天然气发动机三维图

3 主要系统设计

3.1 增压进气系统

采用先进的高压比、大流量高效增压器，加大进气管道流通面积，提高进气效率。

发动机的增压进气系统采用了压气前混合方式，空气和燃气都是被压气机吸入的。控制系统通过各种传感器监测发动机的参数（如发动机的转速、压力、温度、功率等），计算出所需要的燃气流量，并通过CAN通讯口把燃气流量命令传送到燃气流量控制阀，燃气流量控制阀根据燃气流量命令控制其阀门的开度，从而保证了燃气与空气按需要的比例混合。混合后的混合气通过增压器压气机作用，使其压力升高，经进气弯管送至高效中冷器，使混合气温度降低，密度增大，同时抑制爆振倾向，再送至机体内进气腔通过进气管道分别达到各气缸内。

3.2 天然气供给系统

根据油田伴生气的特点及工作环境，优化了燃气供给系统，保证了发动机优良的动力性。燃气供给系统具有过滤、减压、紧急切断及安全阻火等功能。

3.3 控制系统

气体发动机平均有效压力越高，其安全可靠运行的空燃比范围越窄，钻井平台用天然气发动机的控制系统采用空燃比闭环控制技术对空燃比进行精确控制，达到高空燃比，从而实现稀薄燃烧。因此保证了发动机运行点远离了爆振区和失火区，而且降低了发动机的排温及排放中的NOx的含量，使发动机达到高的排放性能。

3.4 点火系统

对于增压稀燃的燃气发动机，要想在可燃范围内点燃稀薄的天然气－空气混合气，就要相应提高点火能量。如果点火能量不足，会导致发动机后燃现象严重，出现放炮、排温过高等现象。采用带预燃室的火花塞，电火花先点燃预燃室内气体产生火焰，火焰从预燃室喷出点燃气缸体内混合气，使发动机各气缸燃烧更加稳定，均匀。燃料燃烧更加充分，能有效提高发动机的热效率。

3.5 仪表监控系统

根据使用环境及用户要求，专门为钻井平台用天然气发动机开发了新的仪表监控系统，除了在机旁显示发动机的各监控参数外，还具有数据远传报警功能。通过数据远传把发动机的主要参数通过通讯接口上传至中央监控室，用户可以随时监控发动机的工作情况。

3.6 启动系统

发动机采用压缩空气马达起动，为满足自动化机组的要求，启动系统设计满足启动前先供油后启动以及停机后预供油保护功能。

4 天然气发动机的主要结构设计

4.1 机体

机体结构进行强化设计，采用高强度铸铁整体铸成，增加龙门高度，提高机体的抗弯曲能力，两侧采用横拉螺栓，将主轴承盖牢固地与机体结合在一起，使机体整体强度、刚度加强，满足设计要求。

4.2 曲轴

曲轴采用优质合金钢锻造而成，通过对平衡重精确的计算和采用三维设计，保证曲轴的平衡性；为保证其可靠性，还进行了曲轴疲劳强度计算、船规计算和扭振计算，计算结果表明曲轴满足发动机的设计要求。

4.3 活塞

为适应天然气发动机的燃烧特点，综合考虑抗爆振性和经济性，设计了专用活塞，最终通过试验确定发动机压缩比。活塞在设计过程中采用了高耐磨性活塞环结构，提高耐热性和机械负荷性能，从而提高活塞的使用寿命。

4.4 凸轮轴

凸轮轴为分段式结构，由左侧凸轮轴分部件和右侧凸轮轴分部件两部分组成，每侧凸轮轴由前、后两段组成，通过法兰将其连成整根凸轮轴，分别安装在机体两侧的座孔内，维修保养非常方便。凸轮轴上按一定方位顺序排列的各凸轮，进排气凸轮驱动着滚轮挺柱在挺柱座内上下运动，经挺杆及气缸盖上的气门摇臂和摇臂横桥，定时地控制着两个同名气门的开闭。

5 台架性能试验

2009年我公司严格按照相应国家标准、企业标准以及中国船级社CCS的认证要求，对发动机进行了型式试验及耐久试验，在试验过程中，发动机运转稳定，工作可靠，各项指标均达到或优于设计 要求和有关标准的规定值，并通过了中国船级社CCS认证。发动机的负荷特性曲线如图2所示。

图2 天然气发动机负荷特性曲线

6 结束语

钻井平台用天然气发动机研制成功，填补了国产天然气发动机在钻井平台应用零的突破，可配套成发电机组、压缩机组、变矩器机组或其他动力输出，满足不同用户的需求。

钻井平台用天然气发动机对钻井平台环境具有良好的适用性，满足平台的使用要求。已配套成燃气发电机组成功应用于中海油采油平台。