钻井平台爆炸性环境中柴油发动机防爆控制系统方案分析及应用

王传鸿 （中石化四机赛瓦石油钻采设备有限公司，湖北 荆州434024）

近年来在国内陆地及海洋油田作业现场，以柴油发动机作为固井设备的动力装置得到了越来越广泛的应用。在油田作业的工况下时常会有爆炸性气体存在的可能，在固井设备中柴油发动机的应用可能给现场作业带来一定的安全隐患。针对在爆炸性气体环境下，为确保柴油发动机在油田固井设备作业过程中的安全运行，避免安全事故的发生，以GB2 0800．1—2006为参考依据，对满足防爆要求的柴油发动机控制系统方案进行相关分析。

1 柴油发动机点燃危险源

柴油发动机的基本工作过程包括进气、压缩 （进油）、爆炸做功以及排气。爆炸做功时，缸体内部会产生6～10MPa的高压及1800～2200K的高温，在排气过程中，燃烧后产生的高温、高压废气会通过排气歧管、排气管道排到周围环境中。根据柴油发动机工作原理，分析出其点燃危险源由以下几部分组成：壳体高温表面、明火 （排气口的火星、火花）、机械摩擦造成静电集聚释放、电气元件等。

1.1 壳体高温表面的存在

固井设备配用柴油发动机的额定功率通常为349．3kW左右，正常的固井作业过程中，发动机的实际工作功率通常接近于满负荷，且连续运行时间至少在2h以上，壳体表面的温度就会成为点燃危险源。由于缸盖、缸体、排气歧管出口外部均通有循环冷却液，冷却液循环过程中经过散热风扇进行散热，因此缸盖、缸体的表面温度都会低于冷却液的沸腾温度，排气烟道出口及表面温度低于200℃，满足T3温度组别要求。

1.2 明火 （排气口的火星、火花）的存在

柴油机工作时，发动机外部壳体的强度足以承受其内部燃料燃烧时的爆炸压力极限，发动机厂家已完成以上功能设计。当燃料燃烧时，如燃烧未完全，可能在排气歧管处排出带有火花或火星的废气，如外界环境为爆炸性气体，很可能导致气体引燃爆炸。故需在排气歧管后端及排气烟道处设计阻火器，将火星或火花阻止在排气烟道以内，避免以上安全隐患的出现。发动机的进气口有进入爆炸性气体的可能，如爆炸性气体进入气缸，气缸内的高温可将危险气体点燃，如与外界相通的进气口、进气管道、空气过滤器的管道口，有可能使火星或火花与外界环境爆炸性气体接触，带来安全隐患，故在管道口及连接面均应安装阻火器。

1.3 机械摩擦造成的静电集聚释放的存在

发动机在运转过程中，飞轮通过橡胶皮带的连接带动直流发电机及散热风扇马达的运转。皮带运行过程中可能产生静电，此外发动机外部的塑料连接器件 （如空气过滤器、进气管路）在发动机运行过程中产生的机械摩擦也可产生静电。若静电集聚很可能产生电弧火花，从而点燃外界环境爆炸性气体。故皮带的材质需选择专用防静电皮带，塑料器件与金属部分的连接面以及发动机整个壳体均需要接地，从而有效避免以上安全隐患的发生。

1.4 电气元件的防爆性能要求

控制系统选用的全部电气元件需满足24V工作电压的要求。控制系统配用相关电气元件如直流发电机、电子传感器、电气接线箱、电磁阀等均应满足GB 3836相关防爆标准要求。

2 发动机防爆控制系统

2.1 进气及排气系统

进气管道需安装阻火器，阻火器与发动机的管道连接部分应进行防爆处理。在进气过滤器处安装可燃性气体探测器，针对固井设备是危险2区使用环境的要求，选用检测2类可燃性气体的探测器，在发动机接通电源时气体探测器开始运行并通过人机界面实时显示监测情况，在发动机启动前或运转过程中，如检测到进气口有可燃性气体，控制系统自动关断发动机进气阀及燃油阀，此时发动机无法启动或熄火。该控制功能可有效防止外界环境可燃性气体进入发动机缸体点燃爆炸，确保发动机的正常运行。

依据T3温度组别的要求，在发动机的排气烟道入口安装隔爆型温度开关 （动作点设置为195℃），即当排气烟道内温度超过195℃时，人机界面显示报警信息，同时控制系统自动关断发动机进油阀及进气阀，此时发动机熄火，配合排气烟道内安装的阻火器及火星熄灭器，可防止废气中的火星或火花从烟道口排出，点燃外界爆炸性气体的情况发生。

2.2 运行参数监测系统

发动机运行参数的监测包括冷却液温度、机油压力、转速。在发动机的冷却液出水管道上安装隔爆型温度开关 （动作点设置为125℃），油管上安装隔爆型压力开关 （动作点设置为0．8bar。1bar＝100kPa），设置发动机的额定转速为2100r／min。当冷却液温度、机油压力、转速超过额定值时，人机界面显示报警信息，同时控制系统自动关断发动机进油阀及进气阀，此时发动机熄火。如发动机继续运转，将损坏缸盖、缸体等部件，导致发动机非正常运行。防爆控制系统可有效地监视运行参数并自动控制发动机熄火。

2.3 启动及停机系统

固井设备发动机均采用气马达起动方式。发动机的停机控制原理为 “电控气”的形式，即控制系统发出电信号给隔爆型电磁阀，电磁阀阀芯动作切断油门执行气缸的进气源，从而实现关断发动机进油，发动机熄火的目的，同时发动机的停机状态信息显示在人机界面上。

依据发动机防爆控制的功能要求，以下情况将导致发动机熄火：检测到可燃性气体，冷却液温度高，机油油压低，排气温度高，超速。当出现以上情况时，防爆控制系统自动控制发动机熄火，相关报警信息显示在人机界面上。

2.4 紧急停机系统

因发动机在燃油切断的情况下，可能因缸内燃油没有燃烧完毕而继续运行的情况，如爆炸性气体持续进入缸内，发动机则会在没有燃料的情况下，不断地燃烧、做功、排气，这时发动机继续运转将不受人为控制。当出现以上情况时，控制系统除自动控制发动机进油阀关闭外，还将同时控制进气阀关闭，相关报警信息同步显示在人机界面上。

3 结语

柴油发动机的防爆控制方案主要体现在壳体高温表面的处理、明火的处理、静电的消除、电气元件的防爆处理以及防爆控制系统各项功能的实现，确保柴油发动机在爆炸性气体环境下安全可靠运行。随着柴油发动机作为固井设备的动力装置在国内外油田广泛使用，该防爆控制系统方案也将得到更加广泛的应用及推广。