一种节油装置在油田钻井柴油机中的应用研究

2022-01-17 03:50孙栓张忠元王泽胜李帅张文强
内燃机与配件 2022年2期
关键词:节油柴油机油田

孙栓 张忠元 王泽胜 李帅 张文强

摘要:油田直驱钻井柴油机在工作过程中低负荷工况占比较高,此工况的油耗比经济区高约25%,而此时风扇功率占比较大且存在散热冗余。通过在柴油机自由端安装液力偶合器,可以解决低负荷工况油耗高的问题。本研究采用台架试验模拟钻井低负荷工况,并分别将液力偶合器设置成全速及温控两种模式,对比分析了低负荷工况柴油机的油耗,并在油田现场实际进行了对比试验。试验结果表明,安装液力偶合器的柴油机具有明显的节油效果。

Abstract: Oil field direct drive drilling diesel engine accounts for a high proportion of low load condition in the working process,the fuel consumption under this condition is about 25% higher than that in the economic condition,at thiscondition,the fan power accounts for a large proportionand there is heat dissipation redundancy. By installing the hydraulic coupling at the free end of the diesel engine,we can solve the problem of high fuel consumption under low load conditions. In this study, the bench test simulates low load conditions,the hydraulic coupling is set to full speed and temperature control modes respectively, we compared and analyzed the fuel consumption of low load condition,and then carried out comparative test in the field. The test results show that,the diesel engine with hydraulic coupling has obvious fuel saving effect.

关键词:油田;柴油机;液力偶合器;节油

Key words: oil field;diesel engine;hydraulic coupling;fuel saving

中图分类号:TK422                                  文献标识码:A                                  文章编号:1674-957X(2022)02-0020-04

0  引言

柴油机在工作过程中,会产生大量的热量,风扇水箱是最常见的散热方式,目前应用最多的风扇联接方式是柴油机皮带轮通过皮带直接驱动风扇皮带轮,该联接方式使得风扇转速始终与柴油机曲轴转速成一定比,无法根据柴油机的实际散热量匹配风扇转速,在柴油机低负荷工况,往往存在散热冗余。

2020年3月,潍柴重机股份有限公司给某钻井公司配套的油田专用柴油机在运行时客户反馈燃油耗高问题,通过分析油田用柴油机的作业特点,得出结论为低负荷工况占比太大。本研究是在柴油机皮带轮和风扇之间安装液力偶合器,可以根据柴油机高温水的温度来调节风扇转速,当低负荷工况时,水温很低,液力偶合器输出端不工作或转速很低,从而降低风扇转速,节约能耗;当高负荷工况时,水温升高,液力偶合器满速输出,从而风扇转速较高,散热量大。

本文采用的是台架试验和油田现场试验相互验证的方式,深入开展液力偶合器在油田钻井柴油机领域的节油效果研究。

1  油田钻井柴油机燃油耗高问题分析

2020年3月,潍柴重机股份有限公司给延安某钻井公司配套了一台油田直驱代号为YT01的柴油机,该井队的钻井方式为直驱式转盘钻,设计井深约为2000米,单台柴油机工作,通过减速箱驱动泥浆泵,泥浆泵驱动绞车和转盘(如图1),钻井过程中柴油机常用转速1250r/min,实际使用过程中,客户反馈钻打一口井平均燃油消耗量为21t,未达到电控柴油机理想燃油耗。

在排除了柴油机本身燃油系统、进排气系统和配气系统的故障后,我们对柴油机的工况进行了现场测试。经测试,钻井工况分为三类:钻进、提钻和下钻,各工况的详细参数如表1。

钻进工况:钻进工况常用扭矩4660N·m,占比98.7%,最大扭矩8388N·m;常用功率610kW,占比98.7%,最大功率1034kW(如圖2)。

提钻工况:提钻工况常用扭矩1630N·m,占比81.3%,最大扭矩8378.5N·m;常用功率210kW,占比81.3%,最大功率1024kW(如图3)。

下钻工况:常用扭矩1110N·m,占比97.9%,最大扭矩8388N·m;常用功率130kW,占比97.9%,最大功率1034kW(如图4)。

对比厂内试验柴油机的功率油耗特性曲线图(图5),通过分析可知,三类工况中,提钻和下钻工况属于低负荷、高油耗区间②,钻进工况属于中高负荷工况、低油耗区间①。

经过分析可知,柴油机钻井各大工况基本在相应的油耗区间,想要进一步优化油耗的话,只能重新优化进排气、配气和燃油系统的性能件,但却只能优化钻进工况的油耗,提钻下钻的工况很难兼顾。而风扇消耗的功率在30kW左右,在低负荷工况中占总功率的1/4~1/5,占比较大,可以考虑在柴油机皮带轮和风扇之间安装液力偶合器来降低风扇消耗的功率。

2  液力偶合器工作原理

液力偶合器是一种以液體为传动介质的液力元件,装置在柴油机和冷却风扇之间,可传递扭矩,具有无级调速、传动平稳、隔振无冲击性的特点,可以改善动力机组的传动品质,也是一种节能降耗的动力传输设备。

图6是一种常见的液力偶合器的原理图。

液力偶合器是依靠液体柔性传递动力,其工作原理是:柴油机驱动连接盘(1)输入法兰(2)使输入轴(3)和泵轮(7)旋转,当充油阀的工作液进入工作腔,受泵轮离心力的作用,工作液由泵轮心部(即泵轮入口)流向外缘(即出口而形成高压高速液流进入涡轮(8)外缘(即涡轮入口)并冲击涡轮叶片,使涡轮和输出轴(9)与泵轮同向旋转,输出轴上的皮带轮,带动冷却风扇开始工作旋转;同时液体又由涡轮外缘流向心部(即出口)再回到泵轮入口如此循环流动,这样泵轮将柴油机的机械能转换为液体能输入,而涡轮又将液体能转换为机械能输出,而实现柴油机与冷却风扇之间的动力传递。

液体在工作腔中的这种循环流动,只有在泵轮与涡轮间存在转速差(即滑差)时才发生,而传递力矩的大小取决于进入工作腔内液量的多少;当充油阀控制滑阀(16)口开度愈大,进入工作腔的液体愈多,当工作腔全部充满液体时传递的力矩最大,故而控制滑阀的开度又决定了工作腔内的充液量。

充油阀控制滑阀(16)的开度,由热敏元件(17)受热变形来进行控制,来自柴油机高温冷却水系统出水管的少量高温冷却水,经过进水阀(14)和进水管,进入充油阀水腔,然后经出水管和出水阀(19)回到柴油机的进水管。冷却水进入充油阀的水腔时热敏元件(17)直接感受到柴油机高温水系统出口冷却水的温度;当水温升高时热敏元件挺杆部份伸长,克服弹簧的压力,推动压块(20)活塞(21)和控制滑阀(15)向左移动;当水温达到72-78℃时,充阀口F打开,柴油机机油系统的少量机油经柴油机机油管进减压阀(23或节流板)旋阀(24)自动进入充油阀口F,经壳体(5)壁左轴套(4)上的喷油孔进入偶合器工作腔。当水温愈高时,热敏元件挺杆的伸长愈多,推动控制滑阀向左移动距离愈大,充油阀口F的开度愈大,进入偶合器工作腔的油液愈多,涡轮(8)风扇(10)转速越高;当水温达到80-85℃时,偶合器的工作腔充油量最大,风扇的转速达到额定值;反之冷却水温度降低时,热敏元件挺杆长度缩短,充油阀控制滑阀在弹簧作用下向右移动阀口F的开度减小,进入偶合器工作腔的油量亦减少,泵轮对涡轮的液体能降低,风扇转速降低;当水温降低到65-72℃时,阀口F关闭,进入偶合器工作腔的油量减少到零,风扇停止转动。

3  台架试验

3.1 试验条件

试验研究的对象是潍柴重机同款型号为YT01的柴油机,详细参数见表2;试验所用的仪器见表3。柴油机和风扇之间安装济柴YOTJ420型液力偶合器,偶合器动力输入端与柴油机皮带轮通过高弹联轴器相连,偶合器输出端通过皮带与风扇相连,详见图7;偶合器从柴油机节温器处取高温水,回水到柴油机水泵进水管,用于控制液力偶合器热敏原件伸缩量;采用柴油机机油驱动,从机油冷却器处取油,回油至油底壳。

在风扇皮带轮上安装了转速反光贴片,用于实时监测风扇转速,利用测功机对柴油机进行转速和功率调节。不同的试验方案中,保持发动机各个工况点的转速和扭矩一致,通过调节液力偶合器的“自动”和“手动”扳手来控制偶合器的转速输出。

3.2 试验结果

3.2.1 油耗率对比

同转速下,对比自动挡模式与手动全速模式,在低负荷工况(50%及以下)节油效果较明显,在50%负荷工况下,油耗率平均降低4.5-6.5g/kW·h,详见图8、图9、图10。

3.2.2 转速及温度对比

在自动模式下,水温在74-81℃之间调节波动,风扇转速随负荷降低而降低,30%负荷以下,风扇会间歇停转,以达到节油效果。

3.3 试验结论

安装液力偶合器的柴油机在50%及以下的低负荷工况节油效果显著,最高可节油7.6%,高负荷工况节油无明显效果,最高可节油2.4%,原因是低负荷工况风扇散热存在冗余,而高负荷工况风扇只有满速才能达到散热要求。

4  现场试验

试验的对象是安装液力偶合器的同型号柴油机,试验地点为同一钻井公司现场,两口井距离约100米,经测试,钻井各个工况的油耗见表4。

通过对比未安装液力偶合器柴油机各个工况的油耗,可知柴油机在安装液力偶合器后,钻进工况时,平均每小时油耗量降低2.3%,提钻和下钻工况时,平均每小时油耗量可降低5.4%。

更换带液力偶合器的柴油机后,经现场实测,在地质结构相同,2000米井深时,钻一口井总的燃油消耗量约在18.8t左右,省油效果明显,客户非常满意。

5  结论

①油田钻井柴油机工况较为单一,钻进过程中的负荷在500-700kW,提钻和下钻工况负荷在100-250kW,钻进过程中的油耗优化空间不大,而低负荷工况风扇消耗功率占比较大;②柴油机风扇在低负荷工况存在散热冗余,造成功率浪费,安装液力偶合器可以改善低负荷工况风扇的转速;③通过台架试验和现场试验,得出液力偶合器在油田钻井柴油机中提钻和下钻等低负荷工况节油效果显著,可以给客户带来较大的经济效益。

参考文献:

[1]张庆良,高志贤.硅油风扇离合器的试验研究[J].起重运输机械,2012,12.

[2]苏小平,马晓鹏.调速型液力耦合器对带式输送机的影响[J].科技致富向导,2013,3.

[3]周龙刚,孟翔龙,李伟,等.发动机冷却风扇驱动方式对比[J].内燃机与动力装置,2013,1.

[4]马士平,吴德庆,马骥.改善冷却系统结构对柴油机性能的影响与效益分析[J].甘肃科技,2013,4.

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