顏巴赫燃氣發(fā)電機組在油田鉆機供電領(lǐng)域的應用

0 引言

顏巴赫燃氣發(fā)電機組目前已經(jīng)廣泛應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，燃氣發(fā)電機組對于使用環(huán)境和場(chǎng)景都有一定的要求。油田鉆機由于使用環(huán)境惡劣，負荷突變等特征，傳統上都是使用柴油發(fā)電機組作為電源。如果燃氣發(fā)電機組用于油田鉆機，則必須進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)，以滿(mǎn)足油田鉆機的特殊要求。

鉆井設備一般數個(gè)月就要轉場(chǎng)，因此發(fā)電機組也要隨之一起在井場(chǎng)之間移動(dòng)。這一點(diǎn)和傳統的燃氣發(fā)電機的應用場(chǎng)所有所不同，后者一般是不移動(dòng)或者極少移動(dòng)的。

1 油田井場(chǎng)環(huán)境條件

以我國西部的井場(chǎng)為例，沙漠地區的沙塵天氣發(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)日數高達70天以上，年平均氣溫8.6℃，無(wú)霜期225天，平均日照時(shí)數2700小時(shí)。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 集裝箱機房通風(fēng)過(guò)濾設計

集裝箱式機房要考慮到當地的氣候條件，尤其在夏天炎熱的環(huán)境下，機房要保證足夠的通風(fēng)量，維持機組運行所需的空氣溫度不超過(guò)50℃。機房應設計成強制進(jìn)風(fēng)，自然排風(fēng)，使機房?jì)炔凯h(huán)境為微正壓。

此外，集裝箱式機房的進(jìn)風(fēng)口也要具備過(guò)濾大顆粒沙塵的能力，確保在遇到大風(fēng)沙天氣時(shí)機房?jì)热杂凶銐虻目諝饬髁?。沙塵對發(fā)電機組有較大危害，助燃空氣如果含有大量沙塵，會(huì )堵塞發(fā)動(dòng)機空濾，嚴重的會(huì )進(jìn)入發(fā)動(dòng)機氣缸內部，造成嚴重損壞。根據資料，顏巴赫發(fā)電機組要求助燃空氣質(zhì)量等級達到EN779G3級別。因此，集裝箱機房空氣過(guò)濾器需要提高過(guò)濾沙塵的能力，同時(shí)還要保證發(fā)動(dòng)機正常運行所需的空氣流量。

3 鉆機負荷特性

油田鉆機主要由起升系統、旋轉系統、循環(huán)系統、驅動(dòng)與傳動(dòng)系統、氣控系統和井控系統等組成，電氣設備主要有絞車(chē)、轉盤(pán)和泥漿泵等，驅動(dòng)方式一般為直流或交流電機驅動(dòng)。絞車(chē)是鉆機的核心部件，在鉆井過(guò)程中主要擔負起下鉆具、下套管、提取巖芯筒等，一般由交流變頻電動(dòng)機驅動(dòng)。ZJ70/4500DB為例，其主要電氣設備負荷如表所示。

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(gè)階段，每個(gè)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(kāi)鉆、二次開(kāi)鉆、鉆進(jìn)、起鉆、換鉆頭、下鉆等。

在不同的工序中，隨著(zhù)井深的變化，負荷的變化也非常大。其中起鉆時(shí)會(huì )出現突加負荷，尤其是高速起鉆的情況下。這種突加負荷取決于鉆井作業(yè)過(guò)程，突加負荷的大小和時(shí)間變化很大并且極不穩定。

這就要求發(fā)電機組能夠對負荷突加做出迅速反應，不能因負荷突加而跳機，否則影響鉆井作業(yè)的安全。同時(shí)，其他工序階段負荷可能長(cháng)時(shí)間處于較低水平，發(fā)電機組需要在一定時(shí)間內運行在低負荷狀態(tài)下。

下圖是某鉆井過(guò)程的示意圖，主要是顯示各個(gè)過(guò)程的大致功率變化情況，不包含地質(zhì)等原因導致的負荷突變情況。在實(shí)際情況中，每道工序時(shí)間不一樣，且每道工序里的負荷也是波動(dòng)的，這里未對細節進(jìn)行顯示。

4 發(fā)電機組性能曲線(xiàn)

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

發(fā)電機組的加載能力取決于發(fā)動(dòng)機速度調節器，平均有效壓力BMEP，渦輪增壓器的動(dòng)態(tài)特性，燃氣調節特性，以及發(fā)電機AVR的設定。同時(shí)，發(fā)電機組的轉動(dòng)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(wú)法量化，因此需要以最大允許的電壓降和頻率降作為指標，給出推薦的加載平均值。

ISO8528-5將內燃機的孤島運行設計性能分為G1-G4四個(gè)級別，規定了各自的指標極限值。

發(fā)電機組廠(chǎng)家一般會(huì )提供功率加載和減載曲線(xiàn)圖，下面的示意圖顯示了在規定的電壓和頻率限值以?xún)?，機組能夠加載的最大值。橫軸顯示當前負荷率，縱軸顯示加載負荷率。例如，G2等級在圖上對應的加載率是20%，也就是說(shuō)單步突加負荷在20%以?xún)葧r(shí)，電壓或頻率波動(dòng)不會(huì )超過(guò)G2限值。

由于鉆機的主要負荷是由交流變頻電動(dòng)機驅動(dòng)，因此需要綜合考慮交流變頻電動(dòng)機的電壓和頻率允許波動(dòng)范圍。如果超出，則鉆機無(wú)法正常工作。所以燃氣發(fā)電機組在鉆機上應用的主要難點(diǎn)還是在于負荷變化難以控制，無(wú)法確保負荷變化在發(fā)電機組所要求的范圍內。

5 解決方案

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

1）負載箱

負載箱(Loadbank)是一系列電阻性負載組成的電氣設備，一般可以單臺使用或者自由組合，容量靈活。在鉆井電機上的應用上，負載箱可以作為一部分基礎負荷，一方面在鉆井負荷低時(shí)可以穩定發(fā)電機組的運行，另一方面，在鉆井負荷突然增大時(shí)，能夠通過(guò)迅速甩開(kāi)負載箱，以減少發(fā)電機組的沖擊負荷。

負載箱的缺點(diǎn)是，工作時(shí)它通常作為基礎負荷消耗發(fā)電機組的電能，是耗能且不經(jīng)濟的。并且它無(wú)法增大發(fā)電機組的總帶載能力，只能解決發(fā)電機組容量以?xún)鹊乃矔r(shí)負荷沖擊問(wèn)題。

2）電池儲能

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

電池儲能的優(yōu)點(diǎn)時(shí)，一方面可以通過(guò)放電加大發(fā)電機組的總帶載能力和瞬時(shí)負荷沖擊能力，另一方面，它不是耗能設備，從節能角度來(lái)說(shuō)是經(jīng)濟的。

國內已經(jīng)有使用燃氣發(fā)電機組和電池儲能系統相結合應用于鉆機的案例，使用結果表明該系統是有效的。在某鉆機系統中，采用3臺顏巴赫J320（其中1臺為備用）燃氣發(fā)電機組，每臺輸出功率約1MW，電池儲能容量約1.2MVA。經(jīng)過(guò)實(shí)際驗證，該系統帶載性能優(yōu)異，完全滿(mǎn)足現場(chǎng)需求。

6.總結

負載箱和電池儲能兩種方式比較而言，技術(shù)上均可以滿(mǎn)足井場(chǎng)的負荷突變需求。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，系統和維護工作相對復雜。

燃氣發(fā)電機組在油田鉆機上的應用盡管目前還處于初期發(fā)展階段，長(cháng)期來(lái)看有望逐步替代傳統的柴油發(fā)電機組。從經(jīng)濟性的角度，其與柴油機的比較取決于燃料價(jià)格等因素。從環(huán)保的角度，燃氣發(fā)電機組氮氧化物的排放比柴油機低，與我國未來(lái)實(shí)現“碳中和”的目標不謀而合。