王 樂 于再紅

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

引 言

自升式生產(chǎn)平臺是當(dāng)前海上油氣生產(chǎn)的主力裝備之一，在較淺水域（特別是邊際油氣田）的開采生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)階段我國海洋油氣開采大部分還是集中在淺海區(qū)域，從提高產(chǎn)量和生產(chǎn)經(jīng)濟性角度出發(fā)，亟需研發(fā)配備高性能的自升式生產(chǎn)儲卸油平臺。

2011年4月～11月，我院受中國海洋石油總公司（CNOOC）湛江分公司委托，對南海北部灣邊際油田的自升式生產(chǎn)儲卸油平臺開展了前期預(yù)研，初步完成了一型自升式生產(chǎn)儲卸油平臺的概念設(shè)計。根據(jù)用電負荷估算，自升式生產(chǎn)儲油平臺電站配置如下:設(shè)3臺1200 kW主發(fā)電機組，1臺500 kW應(yīng)急兼停泊發(fā)電機組，在升降工況、生產(chǎn)工況和修井工況時，發(fā)電機組2用1備；鉆井工況臨時增加1臺發(fā)電機機組，平臺預(yù)留第4臺發(fā)電機組的位置。在應(yīng)急和停泊工況開應(yīng)急兼停泊發(fā)電機組。

目前海工領(lǐng)域主流的發(fā)電機組配置模式有:蒸汽輪機發(fā)電機組、燃氣輪機發(fā)電機組和柴油機發(fā)電機組。本平臺電站功率不大，因此不考慮蒸汽輪機電站和燃氣輪機電站方案，擬采用柴油發(fā)電機組作為平臺的主電站及應(yīng)急電站。

基于自升式生產(chǎn)儲油平臺自身可以產(chǎn)出燃料的特點，雙燃料發(fā)電機組在平臺上的應(yīng)用具有十分有利的條件。

1 主發(fā)電機選型論證

由于柴油機的應(yīng)用范圍廣泛，因此，為滿足各種不同的使用要求，柴油機的類型也多種多樣。按曲軸轉(zhuǎn)速及活塞平均速度分類，有高速、中速和低速柴油機。對海上油氣田工程用主電站或備用電站的原動機主要是中速和高速柴油機，其應(yīng)急電站的原動機主要采用高速柴油機。

在海上油氣田工程中，主電站原動機所用燃料品種主要有輕柴油、重質(zhì)燃油、原油、天然氣或油田伴生氣。南海北部灣地區(qū)部分邊際油田的伴生氣資源較豐富，若只是簡單地放空燃燒，則造成資源浪費和環(huán)境污染。此外，平臺本身儲存著大量原油，因此本平臺電站原動機考慮采用雙燃料模式、天然氣模式或多燃料模式（“原油+柴油”、“伴生氣+柴油”、“原油+柴油+伴生氣”），具體需要從初期投資、設(shè)備適應(yīng)性、后期維護等方面進行論證，以確定適用于本平臺的電站形式。無論采用何種燃料，最終的機型都是在以常規(guī)柴油機為技術(shù)模板的基礎(chǔ)上改造而成。

1.1 原油發(fā)動機

原油發(fā)動機的燃料模式為“原油+柴油”。原油發(fā)動機在國際上是最近十幾年才發(fā)展成熟的機型，只有少數(shù)幾家公司可以生產(chǎn)，我國目前還無法生產(chǎn)此類機型。原油發(fā)動機與柴油機的不同之處主要是原油預(yù)處理裝置以及供油、噴油等設(shè)施［1］。相對而言，原油發(fā)動機的燃料費用大幅減少，但其也存在外部系統(tǒng)復(fù)雜、動力系統(tǒng)重、電站裝置復(fù)雜、重質(zhì)原油的燃燒特性不良，以及發(fā)動機綜合磨損大、機械故障多等問題。

1.2 天然氣發(fā)動機

天然氣發(fā)動機使空氣和天然氣在發(fā)動機外混合成混合氣體，然后噴入汽缸燃燒做功。

天然氣發(fā)電機組具備柴油發(fā)電機組的所有特性，最適合使用在有氣源而電能緊缺的油氣田生產(chǎn)中。天然氣發(fā)電機組安裝方便、噪聲低、操作簡單、機組運行平穩(wěn)、使用安全可靠。但在天然氣發(fā)電機組所產(chǎn)生的能量中，只有約35%轉(zhuǎn)化為電能，而約有30%隨廢氣排出。［2-3］

1.3 雙燃料發(fā)動機

1.3.1 中速柴油機

傳統(tǒng)雙燃料發(fā)動機主要為中速機，其質(zhì)量較重，燃料模式為“伴生氣+柴油”或“原油+柴油+伴生氣”，燃料切換時能確保發(fā)動機軸功率不受影響。從氣體燃料存儲方面考慮，目前輸送至發(fā)動機的氣體燃料壓力均在1 MPa以上。根據(jù)船級社規(guī)范要求，發(fā)動機本體上的燃氣管路為雙壁型，外部系統(tǒng)復(fù)雜。

1.3.2 高速柴油機

采用高速柴油機作為平臺主電站，從設(shè)備本身而言，所需功率范圍的高速柴油機在國內(nèi)外均有成熟的機型，機型選擇范圍較廣。

高速機自重輕，對燃油品質(zhì)要求高，柴油需由運輸船運送，因此設(shè)備維護成本高。但生產(chǎn)儲油平臺具有儲油功能，平臺內(nèi)的原油需定期由運輸船運走，由運輸船兼做補給船，運輸成本大大降低。為減少平臺對外的依賴，可以盡量利用平臺的伴生天然氣以降低平臺運營成本。

原油發(fā)動機和傳統(tǒng)雙燃料發(fā)動機由于自身較重、外部配套系統(tǒng)復(fù)雜以及維護成本高等原因，因此并不適用于本平臺。調(diào)研后發(fā)現(xiàn):高速柴油機加裝美國ALTRONIC INC公司的GTI雙燃料系統(tǒng)（BI-FUEL系統(tǒng)），可以較好地實現(xiàn)柴油機雙燃料的改造，且更加適合本平臺。

BI-FUEL系統(tǒng)可以在對傳統(tǒng)柴油發(fā)動機結(jié)構(gòu)基本不改動的情況下實現(xiàn)雙燃料改造，加裝了BIFUEL系統(tǒng)的雙燃料發(fā)電機組可同時燃燒柴油和伴生天然氣。運行時，將天然氣與空氣混合后引入汽缸內(nèi)，形成預(yù)制混合氣，再由噴入汽缸內(nèi)的柴油引燃天然氣后運行。在起動和怠速時，按純柴油工作方式運行；在正常工作時再按雙燃料工作方式運行。在沒有足夠氣體燃料來源時，雙燃料發(fā)動機無間斷恢復(fù)原柴油機的工作方式（如圖1所示），其工作過程:該輔助調(diào)節(jié)式雙燃料控制系統(tǒng)允許原發(fā)動機監(jiān)控系統(tǒng)控制柴油機的轉(zhuǎn)速。天然氣與經(jīng)過過濾器的空氣均勻混合后，從進氣口渦輪增壓引入到發(fā)動機。由于額外吸入了天然氣，相對當(dāng)前負載，發(fā)動機燃料超出需要，監(jiān)控系統(tǒng)會監(jiān)測到發(fā)動機轉(zhuǎn)速有輕微地增加。此時為了保持熱值平衡和設(shè)定的轉(zhuǎn)速，監(jiān)控器會迅速調(diào)節(jié)減少噴油量，從而實現(xiàn)天然氣對柴油地替代。反之，在平衡狀態(tài)下，當(dāng)天然氣供給量減少時，發(fā)動機監(jiān)控器會迅速實時動態(tài)地調(diào)節(jié)噴油量建立新的燃油供給平衡保持設(shè)定轉(zhuǎn)速，維持發(fā)動機的正常運行。

圖1 GTI BI-FUEL 系統(tǒng)工作原理圖

機組在保持額定轉(zhuǎn)速和負荷時，天然氣替代柴油的比率可達到70%左右，雙燃料模式運行與純柴油模式運動相比，可節(jié)約運行成本35%以上。保護系統(tǒng)與原發(fā)動機保護系統(tǒng)完全獨立，燃氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可不間斷完全切換為100%柴油運行狀態(tài)，保證機組正常工作。［4］

2 高速柴油機配置BI-FUEL系統(tǒng)電站成熟性分析

高速柴油機配置BI-FUEL系統(tǒng)電站屬于較新型的電站配置模式，但該系統(tǒng)已成功用于改造MTU、康明斯、卡特彼勒等眾多品牌發(fā)動機配套的發(fā)電機組。為進一步驗證其可靠性， 2010年9月16日，中國海洋石油總公司湛江分公司自升式生產(chǎn)儲卸油平臺項目組以M559026柴油機（額定功率1360 kW、轉(zhuǎn)速1500 r/min）為試驗機，在山西柴油機工業(yè)有限責(zé)任公司多功能試驗站進行了雙燃料（柴油與天然氣混合燃料）性能摸底試驗（參見下頁圖2、圖3）。當(dāng)時的雙燃料混合控制系統(tǒng)即采用美國ALTRONIC INC公司的GTI雙燃料系統(tǒng)，柴油機與雙燃料性能摸底指標對比如下。

圖2 BI-FUEL 系統(tǒng)試驗

圖3 BI-FUEL系統(tǒng)試驗（監(jiān)控畫面）天然氣替換率約61%

2.1 全柴油模式與雙燃料模式轉(zhuǎn)換運行

全柴油模式下啟動，功率增至300 kW左右時，燃氣閥自動打開并平緩轉(zhuǎn)換至雙燃料模式運行；將載時功率降至300 kW左右時，燃氣閥自動關(guān)閉并平緩轉(zhuǎn)換至全柴油模式運行。

2.2 50%、75%和100%負荷工況運行

表1 50%負荷工況

表2 75%負荷工況

表3 100%負荷工況

2.3 燃氣突然斷氣情況下測試

分別在680 kW、1020 kW、1360 kW雙燃料狀態(tài)運行時，切斷燃氣氣源，發(fā)動機能夠由雙燃料平穩(wěn)轉(zhuǎn)換到全柴油模式運行。

試驗證明M559026柴油機加裝BI-FUEL系統(tǒng)后，在各工況下均能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。在后期工作中，系統(tǒng)需按照CCS《雙燃料發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計與安裝指南》的相關(guān)要求設(shè)計取得CCS認可，并按照CCS船級社的要求進行柴油機相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計。［5］

3 結(jié) 論

本文從項目的背景出發(fā)，分析了主流發(fā)電機組的配置模式，對主發(fā)電柴油機進行選型論證。根據(jù)本平臺適應(yīng)的作業(yè)海域特點，著重介紹BI-FUEL系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)特點，從技術(shù)成熟性角度介紹了該系統(tǒng)的實際試驗情況與報告結(jié)論。

對高速柴油機發(fā)電機組配BI-FUEL系統(tǒng)，雖然會因為需要燃燒一定量的柴油而使燃料成本較高，但天然氣對柴油的替換率可達到65%-70%，由于平臺開采出供發(fā)電機使用的天然氣量不穩(wěn)定，該系統(tǒng)正好可以讓機器在燃燒柴油和天然氣之間平穩(wěn)切換，最大程度利用開采出的天然氣。

由于種種原因，該平臺項目最終未進入詳細設(shè)計階段，但是經(jīng)過試驗驗證，安裝BI-FUEL系統(tǒng)的高速柴油機方案，從各個方面來看都更加適合南海北部灣邊際油田的實際情況，該結(jié)論對于作業(yè)于類似區(qū)域的生產(chǎn)儲油平臺的主電站設(shè)計有較高的利用價值。

［1］張琳.海上原油發(fā)電機輔機系統(tǒng)的設(shè)計［J］.價值工程，2013（3）: 25-27.

［2］宮宇龍，陳旭，陳振東，等.論綠色航運雙燃料電力推進船舶的發(fā)展［J］.中國水運，2013（3）: 7-9.

［3］陳飛全，張建明，熊繼有.雙燃料柴油機在石油鉆井上的應(yīng)用的經(jīng)濟性分析［J］.內(nèi)江科技，2013（5）: 52-60.

［4］田智會，李偉軍，徐關(guān)軍，等.采用GTI Bi-Fuel System對柴油發(fā)電機組的雙燃料改造［J］.機電工程技術(shù)，2011（2）: 93-94.

［5］中國船級社上海規(guī)范研究所.雙燃料發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計與安裝指南［S］. 2007.