节能降耗一直是石油钻井行业探索的主题之一。石油钻机设备的能耗主要体现在原动机的能耗和驱动机的传递效率上,柴油机和发电机是石油钻井生产的原动机,每年柴油机和发电机柴油能耗占钻井成本的重要份额,影响柴油机油耗的主要因素是柴油机的技术状况和使用管理。为此,探讨柴油机的使用、维护和管理对柴油机燃烧性能的影响具有重要意义,本文从柴油机系统技术状况、油料选用及使用维护管理上,分析研究影响柴油机油耗的变化的原因,并介绍了江苏油田钻井作业中降低柴油机油耗的基本措施。
柴油机动力性和经济性与柴油、空气混合燃烧后热能的释放和利用(即热效率)有密切相关,热效率高,其动力性和经济性就好,从柴油机技术因素分析,它主要受到供给、压缩和冷却三个系统技术状态的影响[1]。由于柴油机工作过程中受到动力、高温、摩擦及燃烧后化学腐蚀物的侵蚀,随着柴油机工作时间的增加,供油系统、压缩系统、进排气系统、冷却系统等或多或少出现故障,如间隙增大、密封性变坏、压缩比变化、喷油压力及喷雾质量变化等。如果不及时维护或维护管理不到位,无论哪个部位发生故障都会破坏正常的配合关系,使柴油机系统技术状况形成恶性循环,最终必然导致造成柴油机热效率低,加大柴油消耗就不可避免。例如柴油机旋转时气缸内的压力和温度足够,而喷油提前角调整不正确,就会使柴油燃烧不充分,导油耗加大;喷油泵适时适量地向气缸内供油,而空气滤清器堵塞,气门间隙调整不适当,致使发动机因进气不足,排气不净,而使柴油不能完全燃烧,气门间隙太小会造成气门关闭不严,气缸漏气,气缸压缩力降低,影响混合气的压缩燃烧;柴油机着火燃烧正常,但由于冷却过度,柴油机长期处于低温下运转,柴油与空气混合燃烧后也不能释放出足够的热量。因此,压缩、供给和冷却三系统应彼此依赖、相互协调,只有保证柴油机具有良好的技术状态才能提高柴油机的动力性和经济性。
柴油的质量是影响柴油机动力性和经济性的关键因素,因此国家标准对不同标号的柴油都规定了严格的质量指标,其中柴油的粘度、低温流动性、蒸发性能和洁净性直接影响着柴油的燃烧性能。
粘度是柴油的主要技术指标之一,它可决定柴油在柴油机内雾化及燃烧的情况。粘度过大,油嘴喷出的油滴颗粒大且不均匀,就会与空气混合不充分,致使燃烧不完全。柴油同时能对柱塞泵起润滑作用,粘度过小,会影响油泵的润滑,增加柱塞的磨损,柱塞的磨损的会导致柴油供油量的变化,为此要求柴油有适合的粘度,标准规定柴油的运动粘度在3~8mm2/s。
柴油的低温流动性能是确保柴油在低温使用时正常流动、顺利输送的能力。油温低使柴油粘度增大,流动性变差,不易喷散,造成雾化不良,燃烧不完全,故冬季应该选用凝点低和发火性好的柴油,选用标号根据气温一般要求柴油的凝固点应低于最低气温7℃以下标号的柴油。
柴油蒸发性是柴油重要性质之一,油品的馏程是评价油品蒸发性能的重要指标(柴油的馏程为200℃~365℃),为了保证柴油机良好的低温启动和正常工作,柴油应具有良好的蒸发性,要求柴油有合适的馏分组成,馏分过轻蒸发速度过快,燃烧时会积聚大量柴油,使发动机工作不稳定,馏分组成过重汽化困难,燃烧不完全,不仅油秏增大而且易形成积炭,磨损柴油机。
柴油发火性和抗爆性是评价柴油机燃烧性的一个重要指标,其性能用柴油十六烷值指标来评判,在一定程度上,柴油的十六烷值愈高,柴油的发火延迟时间愈短,柴油的燃烧性、抗爆性好,十六烷值过低,由于自燃性差,着火落后期长,会使柴油机工作粗暴,通常要求柴油的十六烷值在45~60之间就基本上能满足中、高速柴油机的工作要求[2]。
柴油的洁净性是表示柴油中的含水量和灰尘和机械杂质,柴油的洁净性对柴油的实用性能具有很大的影响。柴油中含水会使柴油凝固点和冷滤点提高,在冬季容易结冰堵塞油管,夏天也会增加燃料的腐蚀作用,降低燃烧效率,同时水分的存在加速柴油的氧化过程。柴油中含有灰尘和机械杂质,会降低装置的效率,除了引起油路堵塞外,还可能加剧喷油泵和喷油器精密零件的磨损,影响供油量,使柴油雾化质量降低。壳牌石油公司的一个报告,使用高清净,含水极低的柴油可增加燃料油效率3%~6%。因此,水分和颗粒污染随着柴油机性能不断完善,越来越引起重视并加以控制。
研究实践表明,燃料消耗水平和润滑材料有关,我国产值与能耗之比高出工业发达国家2~3倍,机械摩擦导致能量损失是一个非常重要的因素,提高柴油机燃料经济性的途径可通过适当降低润滑油粘度,以减少机件之间的摩擦损耗来实现,国内外实践经验证明,在流体润滑范围内,润滑油在使用条件下粘度每差1mm2/s,能耗大约相差0.5%~1%,粘度相差一个级号,则能耗大约相差1%~5%,我国润滑油粘度一般比国外高出一档,仅此要多耗燃料2%~5%[3]。现在国外大多选用低粘度、高粘度指数、含有磨擦缓和剂(减摩剂)的节能型润滑油,取得了显著的节能效果。
柴油机油耗除受柴油机系统技术状况和油料选用的影响,还有一个重要的影响因素,那就是动力输出匹配的问题,石油钻井施工过程负荷具有典型的不均衡性,在很多情况下,钻井施工的动力供给要么因负荷需求太小而处于使用不充分状态,要么因负荷需求较大(或因工艺参数调整不合理所致),单台柴油机不能满足要求而被迫增加双台柴油机使用,从而造成部分动力浪费。长期以来,钻井作业中动力配备使用大多依据操作人员的感觉和经验,由于操作者技术素质的差异,不可避免出现动力过剩,既浪费能源,又造成装备的非正常磨损。超负荷作业时,柴油机工作粗暴性加剧,排气管冒浓烟,产生大量积炭,发动机温度升高,润滑条件变差,加剧机油老化和零件磨损,而柴油机在较低负荷状态下工作,其有效扭矩和有效功率都得不到充分利用,将增加耗油量,并降低生产效率。
随着石油行业的设备监测技术的不断地进步发展,为设备维修策略由原来的被动维修和计划维修向现行的预测性维修和主动性维修转变提供了技术保障。加强日常巡回检查,通过耳听、鼻闻、眼观、手感直观检验柴油机整机、系统、零部件的状态有无异常现象,结合柴油机工况自动监测系统或其它信号处理技术,测定柴油机的各种工作参数(功率、效率、载荷、速度、流量、压力、温度等)与其正常工作状态下的参数相比较来分析判断柴油机的工作状态,即时掌握柴油机燃烧性、动力性、载荷的匹配合理性、润滑油的泵送性、冷却液温度和机油温度的适合性。定期连续地采用振动监测和油液监测相结合的监测技术,获得柴油机部件润滑、磨损及污染状况的信息,从而预告可能发生的失效或故障,实行预防性维修和主动性维护,确保柴油机处于最佳技术状态下运转,以降低燃油消耗和维修成本。
通过大量的监测数据和案例表明柴油机的可靠性和经济性与柴油、润滑油、冷却剂三液体的维护和管理密切相关。
柴油的质量和污染控制直接影响到柴油机的燃烧性,因此,首先要从源头上控制好柴油质量,对购买的每批柴油必须进行常规的质量检验,确保柴油质量符合国家标准。其次加强柴油运储过程污染控制,柴油污染主要来自于水、颗粒的污染,尤其是野外作业的石油钻井队要把主动性污染控制作为柴油储运管理的重点,真正落实“三过滤,一沉淀”的管理制度。在柴油灌/槽上安装具有吸潮的空气过滤器,防止颗粒和水气进入柴油,在柴油灌/槽底部应安装排污阀,定期排放沉积水和沉积物,柴油灌/槽出口处安装净化器,只有这样才能使柴油的清洁度大幅度地提高。
柴油机被认为是最复杂的工业摩擦学系统,其复杂在于燃烧过程,柴油机工作时的较大温差变化要求润滑油有较好的低温流动性和高温润滑性,柴油机70%的故障都与润滑有关[3],所以合理的选用润滑油并加强对润滑油的维护管理是提高柴油机可靠性的重要保障。在选择润滑油粘度级别时,既要确保柴油机的润滑效果,也不可忽视高粘度的润滑油加大了摩擦阻力,增加能耗,为此在选用润滑油时应在保证设备润滑的前提下,尽量采用高性能低粘度润滑油或粘度指数高的多级油,如果SAE30、SAE 40都能满足润滑要求时,则应选用SAE30。另外,在润滑油系统维护管理中,对在用润滑油监测是不可漏缺的关键工作,没有油液监测就没有设备润滑的控制和管理,只有通过定期连续取样、检测和分析润滑油理化性能、油液污染和磨损颗粒三方面的信息,才能对设备磨损和失效、润滑油的老化变质以及润滑油的污染状态作出及时预报和准确判断,用以指导设备维护,保持可靠运转和延长设备寿命,因此说“油液监测是现代设备润滑的导航雷达”[4]。
卡特皮特的研究表明,超过40%的发动机的问题起因于冷却液,良好的冷却系统可以降低柴油机的热负荷,但冷却温度必须是适度的,柴油机冷却液温度最佳范围是85℃~90℃[1]。柴油机应使用高质量长效的冷却液,对于水冷柴油机,冷却水要加足并在水中加有一定浓度的防腐、防锈、防结垢的添加剂,在保证冷却液质量要求的同时,要加强对冷却液和冷却系统的日常维护,启动柴油机前,首先要检查冷却液的液位,拧紧散热器的帽盖,去除散热器朝向空气一面的污染物,空转柴油机直到冷却系统温度和压力正常,停机前不要忘记让柴油机空转几分钟,以使得冷却液和润滑油流动,保证关键性零部件得以冷却和润滑。
油田钻井作业中,由于环境比较恶劣,加之现场三滤器保养条件差,三滤器保养时常不及时不规范,直接影响柴油的燃烧效率和柴油机的润滑效果,为了提高柴油机三滤效果,我们设计出一套“三滤器保养装置”,该装置集空气、柴油、润滑油三滤器于一体,装置上设计了机油离心器插槽,拆装滤器不易损坏零件,空气调压阀适度控制空气压力既保证空气滤芯灰尘冲净,也不会冲破滤芯,柴油滤清器可旋转清洗,工作效率高。空气滤芯、柴油滤芯清洁后可重复使用。
目前石油钻机类型各异,配套的功率不等,因此做好从钻井设备配置到使用管理的全过程,能够有效降低能耗,必须合理调整柴油机的功率和参数,根据钻井工艺需要,精细计算钻井各道作业工序所需要的功率,优化钻井参数,再确定柴油机的开动台数,尽量使柴油机在经济工作状态下运转,避免盲目增加台数、造成能源浪费。油田总结江苏油区钻井工艺技术特点,针对钻井现有装备水平,通过理论计算和实际测试,提出一套根据钻井工况和工艺要求,现场进行工作负荷和功率的简单估算的方法,编制了《钻井作业动力匹配节能操作方法》,使钻井队操作人员正确推算柴油机输出功率大小、快速估算绞车、转盘、泥浆泵负荷所需功率、合理调节工艺参数及设备之间的功率分配,在充分利用柴油机功率的基础上,减少柴油机运行的台次和时间,降低柴油消耗。
经过多年的发展,油田在柴油机节能技术得到长足的发展,取得了多种节能成果,淘汰耗油量大故障多的柴油机,引入节能发电机;增加科技投入实施对柴油机的技术改进,改善发动机进气条件,增加充气系数;通过科技合作采用先进的电控和增压技术,提高燃油效率;通过管理节能减少燃油消耗,推广应用燃油添加剂、润滑油减磨剂、金属清洗剂发挥了重要节能效果;推广优快钻井减少动力消耗,是钻井作业实现节能降耗的关键,通过高压喷射、优选钻头水力参数和PDC钻头的应用提高了钻井速度,缩短了钻井周期。
减低柴油机油耗是石油钻井节能降耗的一个重要环节,是一项长期的系统性工作,节能降耗不但依赖于技术进步和推广,企业要引导班组转变节能降耗观念,要引导员工从柴油机工作原理、运行方式、管理模式等深层次入手,找准管理和技术的薄弱点,建立健全设备维护保养制度、规范柴油机操作规程及设备事故责任制度,同时不断地加大对职工技能培训力度,提升管理节能和技术节能的水平,加强柴油机的维护保养,确保柴油机处于最佳技术状态下运转,提高柴油机热功转换效率,提高柴油机的动力性和经济性,提高油田钻井作业的经济效益和社会效益。
摘要：从柴油机系统技术状况、油料选用及使用维护管理角度出发,分析影响柴油机油耗的相关因素,结合石油钻井柴油机使用实际,提出石油钻井柴油机节能增效的基本措施,以提高柴油机动力性和经济性,降低钻井作业的营运成本。
关键词：柴油机,油耗因素,维护保养,节能措施
[1] 济柴股份公司.190系列柴油机使用维护手册[M].济南,2008.
[2] 王宝仁.孙乃有.石油产品分析[M].北京:化学工业出版社,2001.
[3] 关子杰.内燃机润滑油应用原理[M].北京:中国石化出版社,2001.
[4] 杨俊杰,陆思聪.油液监测技术[M].北京:石油工业出版社,2009.
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