环境温度对CAT G3516LE型燃气发动机功率影响的研究

＊屈青 刘佳明 赵佳琪

（1.长庆油田公司第四采气厂 陕西 710000 2.长庆油田公司第三采油厂 宁夏 750000）

环境温度对CAT G3516LE型燃气发动机功率影响的研究

＊屈青1刘佳明2赵佳琪1

（1.长庆油田公司第四采气厂 陕西 710000 2.长庆油田公司第三采油厂 宁夏 750000）

天然气压缩机组是集气站天然气增压输送的关键设备，而分体式压缩机组的发动机作为其动力装置，具有高输出、低排放、高热效的特点，是日常维护、维修的重点设备。本文主要针对第四采气厂JGT/4-G3516LE型压缩机组发动机在秋冬、冬春交替之际，经常出现发动机功率下降、转速波动的现象进行分析，并结合现场实际运行情况，综合解析导致发动机功率下降的原因及处置方法，进而提出了相应的改进建议并得出结论。

苏里格气田；压缩机；CAT G3516LE；发动机转速

1.概述

JGT/4-G3516LE型往复压缩机组的发动机由美国卡特彼勒公司生产，压缩机由美国艾瑞尔公司制造，美国艾斯德伦公司成撬。设计进口压力1．0MPa，排气压力3．5MPa，发动机转速1500RPM，单台机组排量为50×/d。目前该机组在我厂配备4台，分别安装于作业一区苏6-7站、苏36-1站及作业四区苏54-1站。

卡特彼勒G3516LE型燃气发动机为JGT/4-G3516LE往复式压缩机组的配套动力设备，此发动机具有高输出，低排放，高热效的特点。该发动机采用稀薄燃烧的方式，发动机混合气中的燃气含量低，在使发动机燃气消耗明显下降的同时，热效率增加，并且燃烧温度降低，进而NOx排放明显减少，达到减排的目的。

原因分析

(1)G3516LE型发动机功率不稳定的表现

G3516LE发动机输出功率不稳定的最直观表现是转速异常。若发动机功率下降，输出转速随之下降，若输出功率不稳定，会伴随着转速的大范围波动，同时发动机运转参数也会出现异常，下面将发动机功率输出不稳定的现场表现进行归纳：

①发动机转速下降/波动，出现“哮喘”现象

一般JGT/4-G3516LE型压缩机组正常满负荷工作的工况应为：进气压力：1MPa；排气压力：2．5MPa-3．0MPa左右；转速：1200-1300转。若发动机转速无法达到1200-1300转，或转速波动大于20转，可以判定此时发动机输出功率异常。

一般在发动机明显转速波动时，发动机涡轮增压器部位会发生“哮喘”现象，此现象是发动机转速波动加大时最为常见的伴随现象，也是最为直观的转速不稳表象。所谓“哮喘”现象实质是发动机功率输出不稳，燃料系统需要的空气量是不稳定的，导致涡轮增压器压缩的空气量也在变化，不是一个稳定的值，这样在转速波动时，涡轮增压器会把多余的空气从空气滤芯中排放出来，这样就造成一种类似哮喘的现象。

②参数异常

针对不同操作人员的对发动机负荷及转速波动判断标准不同，还可通过发动机参数进行判断。发动机组正常满负荷工作的其参数应为：Fuel Valve Cmd（燃气阀门支配比）：70%左右；IMAP（进气歧管压力）：180KPa左右；FCF(燃料气修正因子)：100%左右；Throttle Cmd (油门开度)：50%左右。

FCF是发动机对自身运行工况调整的一种参数表征，正常工况下其值应为100%左右，但是如果发动机转速不稳，发动机自身始终处于调节状态下，其值就会在110%以上，经常为120%～130%，IMAP值也会低于正常值。

(2)环境温度对发动机功率影响的分析

由于G3516LE型发动机采用稀薄燃烧的方式进行燃烧做功。随着缸内平均有效制动压力的增加，稀薄燃烧可控范围逐渐减小，很容易造成爆燃和失火。正是由于这种燃烧方式，其控制比较困难，如果燃烧控制不合理，将会影响发动机功率输出。

其纵坐标Lambda为空气/燃气平衡值，当Lambda=1时，氧与易燃物处于合理的化学燃烧平衡。而Lambda值过低或过高，都会让发动机燃烧处于失火状态。G3516LE型发动机BMEP值为140～160之间，该发动Lambdad有效范围为1．25至-7．5之间。

可燃混合气中空气质量与燃料质量之比称为空燃比，空燃比A/F（A-Ari，F-fuel）表示空气和燃料的混合比，A/F是发动机运转的重要参数，它对发动机的动力性能有很大影响。

根据活动的A/F值等于Lambdad乘以特定的化学计算A/F比，可以计算出G3515LE型发动机可燃混合气中空气含量的波动范围△。

△=7%

根据理想气态方程pV=nRT及密度计算方程

可以得出：pM=ρRT(M为摩尔质量)

那么，空气密度与温度成反比。

由于发动机可燃气体空气含量波动应小于7%，则空气密度及温度变化波动也应小于7%。

通过对苏里格地区全年气温的全年统计，发现苏里格地区平均气温为280K（6．8℃），6月-9月份平均气温在290K(16．8℃)，12月-2月份平均气温在260K（-13℃）。

假设在苏里格平均温度280K（6．8℃）下，对发动机进行调试，使其工况最优，那么以苏里格平均温度为基准夏计算，合理工况下温度变化范围应为：

280K7%≤T≤280K7%得：260．4K≤T≤299．6K

即：-12．75℃≤T≤26．45℃

可以认为在环境温度280K（6．8℃）下，对发动机工况调节至最优，其温差适应范围为上升或下降19．65℃，超出这个变化范围易发生失火现象，随之发动机功率下降。

由此可以得出低温环境下空气密度越来越高，即空气浓度会发生改变。由于一般无法对空气密度进行测量，所以应该记录每一次调试发动机工况至最优时的环境温度，以此环境温度为标准，变化范围在7%以内，机组都可以正常运行，气温变化范围超过7%，则该机组的稀薄燃烧将可能超出的最大Lambda控制范围，这将影响的发动机稀薄燃烧效率，使发动机运行处于紊乱状态，发动机功率下降。

3.分析结果验证及处置措施

由于不同气温，空气密度不同，所以需调整燃料系统工况，以保证发动机的正常空气进气量正常。而发动机燃料系统可细分为燃料气系统、空气进气排气系统、点火系统三大系统，气温对燃料气系统、点火系统均无影响，只对空气进排气系统有影响，故对空气进排气系统运行参数进行调整。

空气进排气系统中影响发动机空气摄取量的部件为废弃旁通阀。废气旁通阀位于排气通道与涡轮增压器之间，以控制废气通过涡轮增压器的量来控制发动机空气的进气量，通过调节废弃旁通阀可增大、减少空气摄取量，由于冬季空气密度高于其他季节，所以需要减少空气摄取量，夏季反之。

现场需要9/16的加长套筒来松掉内部的锁紧螺母，再用1/4的加长套筒来调节内部弹簧压片的位置。由于目前发动机在春、秋、夏三季都能够正常运行，因此机组原工况调整能够满足高气温运行，对于低气温运行环境下需顺时针旋转，减小废气进入涡轮增压器的量，降低空气吸入量。

调整废弃旁通阀，机组参数Throttle Cmd值会相应发生改变，压缩机组满负荷运行时Throttle Cmd值必须达到50%～60%左右，所以调整到Throttle Cmd值达到50%～60%时即可。

2014年低，该厂组织对苏36-1站、苏6-7站CAT G3516LE型发动机废弃旁通阀进行调整后，机组再未出现转速不稳、功率输出降低的故障现象。

结论

通过对影响CAT G3516LE型发动机功率输出的气候原因的分析，得出以下结论：

(1)根据稀薄燃烧原理及Lambda相关计算公式，说明混合气浓度对发动机功率的发挥会产生影响，混合气浓度的受控变化范围为7%，变化范围超出7%，均会发生Rich Misfire及Lean Misfire 两种失火现象，导致发动机功率下降。

(2)可以看出，环境气温与空气密度成反比，空气密度随环境温度的下降而逐渐升高，说明环境温度的变化是造成CAT G3516LE在环境气温较低时频繁出现功率下降、转速不稳故障的主要原因。因此在环境温度变化超出上次机组最优空况调整时环境温度的7%时，应重新对发动机最优空况进行调整，以满足该型号发动机组正常运行。

(3)日常应对每次发动机空况调试环境温度进行记录，并对环境温度变化进行检测，在环境温度变化超出上次调试环境温度7%时，应主动对发动机涡轮增压器进行调整，进而调整发动机的空气进气量。

调节方法为：使用9/16英寸的加长套筒松掉涡轮增压器内部的锁紧螺母，再用1/4英寸的加长套筒来调节内部弹簧压片的位置。在环境温度比标定的气温低7%时，顺时针旋转弹簧压片，以减小废气进入涡轮增压器的量，从而减少空气的吸入量；在环境温度比标定的气温高7%时，逆时针旋转弹簧压片，增大废气进入涡轮增压器的量，从而增加空气的吸入量。旋转弹簧压片幅度，应参照发动机控制面板参数，通过调节，控制发动Throttle Cmd值稳定在50%～60%左右较为合适。

(责任编辑：孔凡念)

Study of the Influence of Environment Temperature on CAT G3516LE Type of Gas Engine Power

Quqing1, Liu Jiaming2, Zhao Jiaqi1

（1.The No.4 Gas Production Plant, Changqing Oilfeld Company, Shanxi, 710000 2.The No.3 Gas Production Plant, Changqing Oilfeld Company, Ningxia, 750000）

Natural gas compressor unit is the key device for the pressurized transportation of natural gas in gas gathering station and the engine of split type of compressor unit, as the power device, has the features of high output, low discharging and high thermal effciency besides, it is the key device for daily maintenance and repairing. In this paper, it has taken analysis of the problems of engine power decrease and revolving speed fuctuation for JGT/4-G3516LE type of compressor unit engine of the No. 4 gas production plant in the seasonal alteration period of autumn and winter, winter and spring, besides, combing with the practical operation situation on-the-spot, it has taken comprehensive analysis of the reasons and disposal methods for engine power decrease, further more, it has put forward the corresponding improvement suggestion, fnally got the conclusion.

sulige gas feld；compressor；CAT G3516LE；engine speed1

TE < class="emphasis_bold"> 文献标识码：A

A

屈青（1988～)，男，长庆油田公司第四采气厂；研究方向：采气工艺。