顏巴赫燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在油田鉆機(jī)供電領(lǐng)域的應(yīng)用

0 引言

顏巴赫燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在天然氣冷熱電三聯(lián)供、生物沼氣、垃圾填埋氣和煤礦瓦斯等領(lǐng)域，具有綜合效率高、污染物排放低等優(yōu)點(diǎn)。然而，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組對于使用環(huán)境和場景都有一定的要求。油田鉆機(jī)由于使用環(huán)境惡劣，負(fù)荷突變等特征，傳統(tǒng)上都是使用柴油發(fā)電機(jī)組作為電源。如果燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組用于油田鉆機(jī)，則必須進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)，以滿足油田鉆機(jī)的特殊要求。

鉆井設(shè)備一般數(shù)個月就要轉(zhuǎn)場，因此發(fā)電機(jī)組也要隨之一起在井場之間移動。這一點(diǎn)和傳統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的應(yīng)用場所有所不同，后者一般是不移動或者極少移動的。

1 油田井場環(huán)境條件

以我國西部的井場為例，沙漠地區(qū)的沙塵天氣發(fā)生頻率非常高。例如，克拉瑪依市位于中緯度內(nèi)陸，屬典型的大陸性半荒漠氣候，干旱少雨、春秋多風(fēng)是其突出的氣候特征。冬季寒冷，夏季炎熱，春秋季較短，冬夏溫差大。年平均大風(fēng)日數(shù)高達(dá)70天以上，年平均氣溫8.6℃，無霜期225天，平均日照時數(shù)2700小時。一年中最高月平均氣溫為7月，平均氣溫27.9℃，最低月為1月，平均為-15.4℃。

2 集裝箱機(jī)房通風(fēng)過濾設(shè)計(jì)

集裝箱式機(jī)房要考慮到當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，尤其在夏天炎熱的環(huán)境下，機(jī)房要保證足夠的通風(fēng)量，維持機(jī)組運(yùn)行所需的空氣溫度不超過50℃。機(jī)房應(yīng)設(shè)計(jì)成強(qiáng)制進(jìn)風(fēng)，自然排風(fēng)，使機(jī)房內(nèi)部環(huán)境為微正壓。

此外，集裝箱式機(jī)房的進(jìn)風(fēng)口也要具備過濾大顆粒沙塵的能力，確保在遇到大風(fēng)沙天氣時機(jī)房內(nèi)仍有足夠的空氣流量。沙塵對發(fā)電機(jī)組有較大危害，助燃空氣如果含有大量沙塵，會堵塞發(fā)動機(jī)空濾，嚴(yán)重的會進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)部，造成嚴(yán)重?fù)p壞。根據(jù)資料，顏巴赫發(fā)電機(jī)組要求助燃空氣質(zhì)量等級達(dá)到EN779G3級別。因此，集裝箱機(jī)房空氣過濾器需要提高過濾沙塵的能力，同時還要保證發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行所需的空氣流量。

3 鉆機(jī)負(fù)荷特性

油田鉆機(jī)主要由起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、驅(qū)動與傳動系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)和井控系統(tǒng)等組成，電氣設(shè)備主要有絞車、轉(zhuǎn)盤和泥漿泵等，驅(qū)動方式一般為直流或交流電機(jī)驅(qū)動。絞車是鉆機(jī)的核心部件，在鉆井過程中主要擔(dān)負(fù)起下鉆具、下套管、提取巖芯筒等，一般由交流變頻電動機(jī)驅(qū)動。ZJ70/4500DB為例，其主要電氣設(shè)備負(fù)荷如表所示。

鉆井工作主要包括鉆前工程、鉆進(jìn)工程和完井作業(yè)三個階段，每個工程又有各自的工序。鉆進(jìn)工程主要工序一般包括：一次開鉆、二次開鉆、鉆進(jìn)、起鉆、換鉆頭、下鉆等。

在不同的工序中，隨著井深的變化，負(fù)荷的變化也非常大。其中起鉆時會出現(xiàn)突加負(fù)荷，尤其是高速起鉆的情況下。這種突加負(fù)荷取決于鉆井作業(yè)過程，突加負(fù)荷的大小和時間變化很大并且極不穩(wěn)定。

這就要求發(fā)電機(jī)組能夠?qū)ω?fù)荷突加做出迅速反應(yīng)，不能因負(fù)荷突加而跳機(jī)，否則影響鉆井作業(yè)的安全。同時，其他工序階段負(fù)荷可能長時間處于較低水平，發(fā)電機(jī)組需要在一定時間內(nèi)運(yùn)行在低負(fù)荷狀態(tài)下。

下圖是某鉆井過程的示意圖，主要是顯示各個過程的大致功率變化情況，不包含地質(zhì)等原因?qū)е碌呢?fù)荷突變情況。在實(shí)際情況中，每道工序時間不一樣，且每道工序里的負(fù)荷也是波動的，這里未對細(xì)節(jié)進(jìn)行顯示。

4 發(fā)電機(jī)組性能曲線

發(fā)電機(jī)組在負(fù)荷突然增加或減少時，輸出電壓和頻率會隨之變化。這種變化行為主要由機(jī)械和電氣屬性所決定。為了說明發(fā)電機(jī)組在負(fù)荷突變時的電壓和頻率特性，需要先確定發(fā)電機(jī)組的加載和減載能力。同時還需要考慮負(fù)載的疊加因素，以及伴生負(fù)載等。

發(fā)電機(jī)組的加載能力取決于發(fā)動機(jī)速度調(diào)節(jié)器，平均有效壓力BMEP，渦輪增壓器的動態(tài)特性，燃?xì)庹{(diào)節(jié)特性，以及發(fā)電機(jī)AVR的設(shè)定。同時，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量也有一定影響。

由于上述諸多影響因素的功能疊加的影響無法量化，因此需要以最大允許的電壓降和頻率降作為指標(biāo)，給出推薦的加載平均值。

ISO8528-5將內(nèi)燃機(jī)的孤島運(yùn)行設(shè)計(jì)性能分為G1-G4四個級別，規(guī)定了各自的指標(biāo)極限值。

發(fā)電機(jī)組廠家一般會提供功率加載和減載曲線圖，下面的示意圖顯示了在規(guī)定的電壓和頻率限值以內(nèi)，機(jī)組能夠加載的最大值。橫軸顯示當(dāng)前負(fù)荷率，縱軸顯示加載負(fù)荷率。例如，G2等級在圖上對應(yīng)的加載率是20%，也就是說單步突加負(fù)荷在20%以內(nèi)時，電壓或頻率波動不會超過G2限值。

由于鉆機(jī)的主要負(fù)荷是由交流變頻電動機(jī)驅(qū)動，因此需要綜合考慮交流變頻電動機(jī)的電壓和頻率允許波動范圍。如果超出，則鉆機(jī)無法正常工作。所以燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在鉆機(jī)上應(yīng)用的主要難點(diǎn)還是在于負(fù)荷變化難以控制，無法確保負(fù)荷變化在發(fā)電機(jī)組所要求的范圍內(nèi)。

5 解決方案

如前面所說，鉆機(jī)的負(fù)荷特性比較復(fù)雜。為保證鉆井安全，要求發(fā)電機(jī)組在工作過程當(dāng)中不能停機(jī)。這就必須使發(fā)電機(jī)組能夠適應(yīng)各種工況，尤其是極端情況。增大發(fā)電機(jī)組的數(shù)量雖然可以抵御更大的負(fù)荷沖擊，但是并不經(jīng)濟(jì)。而發(fā)電機(jī)組自身的負(fù)荷特性不足以滿足井場惡劣的負(fù)荷變化情況，這樣一來，就需要使用外接附屬設(shè)備減少對發(fā)電機(jī)組的沖擊。當(dāng)前解決方案主要有如下兩種。

1）負(fù)載箱

負(fù)載箱(Loadbank)是一系列電阻性負(fù)載組成的電氣設(shè)備，一般可以單臺使用或者自由組合，容量靈活。在鉆井電機(jī)上的應(yīng)用上，負(fù)載箱可以作為一部分基礎(chǔ)負(fù)荷，一方面在鉆井負(fù)荷低時可以穩(wěn)定發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，另一方面，在鉆井負(fù)荷突然增大時，能夠通過迅速甩開負(fù)載箱，以減少發(fā)電機(jī)組的沖擊負(fù)荷。

負(fù)載箱的缺點(diǎn)是，工作時它通常作為基礎(chǔ)負(fù)荷消耗發(fā)電機(jī)組的電能，是耗能且不經(jīng)濟(jì)的。并且它無法增大發(fā)電機(jī)組的總帶載能力，只能解決發(fā)電機(jī)組容量以內(nèi)的瞬時負(fù)荷沖擊問題。

2）電池儲能

電池儲能系統(tǒng)可以與發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行，其作用是在負(fù)荷高時輸出電能。電池在充滿電的情況下，如果遇到突加負(fù)荷超過發(fā)電機(jī)的承受能力，電池可以迅速放電，作為補(bǔ)充電源，減少發(fā)電機(jī)組的沖擊，緩解電壓和頻率的波動。電池的選型和容量大小根據(jù)鉆機(jī)的需求，電池的特性以及井場的條件等綜合因素而定。

電池儲能的優(yōu)點(diǎn)時，一方面可以通過放電加大發(fā)電機(jī)組的總帶載能力和瞬時負(fù)荷沖擊能力，另一方面，它不是耗能設(shè)備，從節(jié)能角度來說是經(jīng)濟(jì)的。

國內(nèi)已經(jīng)有使用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組和電池儲能系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用于鉆機(jī)的案例，使用結(jié)果表明該系統(tǒng)是有效的。在某鉆機(jī)系統(tǒng)中，采用3臺顏巴赫J(rèn)320（其中1臺為備用）燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，每臺輸出功率約1MW，電池儲能容量約1.2MVA。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，該系統(tǒng)帶載性能優(yōu)異，完全滿足現(xiàn)場需求。

6.總結(jié)

負(fù)載箱和電池儲能兩種方式比較而言，技術(shù)上均可以滿足井場的負(fù)荷突變需求。前者成本低，技術(shù)成熟，但是能耗大；后者基本不耗能，但是成本高，系統(tǒng)和維護(hù)工作相對復(fù)雜。

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在油田鉆機(jī)上的應(yīng)用盡管目前還處于初期發(fā)展階段，長期來看有望逐步替代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)組。從經(jīng)濟(jì)性的角度，其與柴油機(jī)的比較取決于燃料價格等因素。從環(huán)保的角度，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組氮氧化物的排放比柴油機(jī)低，與我國未來實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)不謀而合。