柴油与天然气发动机动力性能对比分析

0 引言

天然气是人们生活中常见的一种燃料，不管是大型天然气发动机还是小型天然气发动机，在当前都有着较为理想的发展趋势。当前，天然气发动机所使用的点火方式有两种，分别是混合供气火花点火和压缩点火。但是，因为混合供气火花点火对天然气发动机性能影响较大，无法保证其功率，进而大多采取压缩点火的方式，能够达到和柴油机相符合的性能标准。当前，对于燃气公司来说，为了能够满足节约能源、保护环境的目的，就在逐渐尝试使用天然气发动机代替柴油机。

1 钻机运行动力类型和特点

1.1 机械钻机运行类型和特点 第一，是电器类型，其功率在270～330kW，在运行过程中较为稳定，而55kW的电机在启动过程中会发现出现波动。第二，是泥浆泵类型，其功率在310～665kW，在启动运行较慢，而且在运行过程中会随着井深的增加而逐渐稳定[1]。因为泥浆泵所使用的是往复三缸泵，所以，会有一定的负载，并且始终处于小波动中。第三，转盘类型，其功率在100～220kW，会随着地层特点、压力变化而变化，而且在运行过程中一直处于波动状态。第四，提钻类型，其功率为110～685kW，会随着井深的不断增加，负载也在不断增加，而且动载的变化较大。

1.2 柴油机和天然气发动机输出特点 对于柴油机和天然气发动机来说，扭矩就直接决定着发动机启动、加速能力，而功率就决定着发动机的最大速度。柴油机在中低速中，具有较大的扭矩，而且扭矩的波动相比与天然气发动机来说要更加稳定，其含义也就是自身的加载能力比天然气发动机更好。不管是柴油机还是天然气发动机的经济油耗都和转速有关，也和负载率有所联系[2]。

2 机械施工过程中动力性分析

2.1 单机工况下两种总动力特点分析 通过图1能够了解到，在突载情况下，天然气发动机相比于柴油机来说，响应迟滞率为30%左右，那么根据相应理论来将柴油机和天然气发动机进行现场比较能够发现，在试验过程中，当动力机提速至每分钟1250r时，机械施工已经达到850m，在这过程中转速能够直接恢复到原有动力机的转速。

图1 天然气供气情况下发动机运转范围比较

通过对现场试验的数据收集能够证明，第一，在变载情况下，天然气发动机恢复运转时间要比柴油机慢5秒左右。第二，在试验过程中还发现当天然气发动机接近满载工作状态时，会在天然气发动机内部出现剧烈的声响[3]。第三，在使用单机泵过程中，如果发现其压力达到14MPa，也就是接近满载情况时，天然气发动机的运行声音和排气都要比柴油机更加困难。这样也能够说明，天然气发动机在满载情况下，机器的迟滞问题，也能够说明天然气发动机的运行功率要比柴油机小30%左右，通过对天然气发动机和柴油机的压缩比能够发现其结论的正确。当现场试验负载处于平稳状态下时，就发现两种设备的动力并没有过多的不同。通过对以上情况的分析能够得出结论，在负载突然发生变化时，1000kW的天然气发动机功率会损耗30%左右，也就是实际运行功率应该为700kW左右，那么1000kW的天然气发动机功率也就要小于810kW的柴油机，这样就在一定程度上说明柴油机输出相比于天然气发动机更加稳定。

2.2 单机工作情况使用建议 为了能够更好的使用天然气发动机，减少在试验过程中所出现的问题，进而更好的满足施工需求。那么在单机工作过程中，就应该考虑到以下几个方面。第一，在提钻、挂泵发现有突然增加的负载时，那么在操作过程中就应该快速挂三次档，利用这样的方法来减少负载突然变化对于天然气发动机所造成的迟滞现象，进而来让天然气发动机更好的适应工作[4]。第二，在工作过程中，将天然气发动机放置在相应位置，并且利用皮带来将其固定，减少运输效率的损失，避免过度负载对于天然气发动机的硬性冲击。第三，如果是使用能够单独驱动的单机泵，那么就应该提高天然气发动机的功率，让其能够达到1200kW，这样即使在负载过程中出现损耗，也能够至少输出850kW的功率，这样就能够很好的保证工作效率，而且和泥浆泵工作效率也能够更好配合，满足三缸泵负载需求。

2.3 动力机配套优化意见 在对设备进行配置过程中，对其进行优化组合，才能够更好的提高对天然气发动机的使用效率，更好的实现节能减排的目的[5]。第一，对于钻机来说，如果是使用两台天然气发动机和一台柴油机，那么就应该在第一号车上使用柴油机，二、三号车上使用天然气发动机，通过皮带运输的方法来减少传递效率的损失，进而来缓解在负载过程中所出现的硬冲击现象，更好的提高天然气发动机的提速。在操作过程中，可以快速挂3次档，以此来减少在负载过程中出现的突变现象，让天然气发动机能够更好的适应。第二，在天然气发动机的输出轴上安装耦合器，这样就能够在负载过程中通过耦合器来更好的让天然气发动机适应工作。第三，因为天然气发动机和燃油机的调速并不相同，虽然能够使用耦合器来进行调节。但是，在负载波动下，天然气发动机依然会处于异步运行状态，这样可能会导致耦合器的工作情况恶劣，而且温度会不断升高，容易出现破坏。所以，当天然气发动机和柴油机在正常工作过程中，应该禁止并车使用，如果是遇到突然事件，可以在短时间内进行并车[6]。第四，为了能够解决单机在满载气缸下对于天然气发动机的影响，就应该将功率为1000kW的天然气发动机提升至1200kW，更好的满足工程施工需求。第五，在正常施工过程中，如果要使用单机或者是双机，发现负载并没有超过85%，就不需要并车。第六，在正常情况下是三台天然气发动机配备耦合器来进行工作，这样能够很好的减少工作效率的损耗。

文章来源：《航空动力学报》 网址: http://www.hkdlxbzz.cn/qikandaodu/2021/0208/452.html