卡特彼勒G3600系列发动机爆震问题应对

2017-09-28刘汝鑫张永洁张文琦

中国设备工程 2017年18期

关键词：积碳爆震闪蒸

刘汝鑫，张永洁，张文琦

（1.中国石油长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古鄂尔多斯 017300；2.中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西榆林 719000）

卡特彼勒G3600系列发动机爆震问题应对

刘汝鑫1，张永洁2，张文琦1

（1.中国石油长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古鄂尔多斯 017300；2.中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西榆林 719000）

苏里格气田采用井间串接、中低压集气、增压外输的地面集输工艺。在该模式中，处理厂的天然气压缩机组，其运行状态直接关系到气田外输供气能力。为提高设备运行效率，降低日常生产中最常见的爆震故障发生率，通过全面分析故障原因，制定了具有针对性的行之有效的应对措施，并取得了一定效果。

天然气压缩机组；发动机；燃烧；爆震；空燃比

天然气压缩机组是天然气处理厂日常生产运行中的关键设备，其运行稳定与否直接关系到天然气生产任务的顺利完成。然而机组运行中频发的故障大大影响了机组的运行效率，其中爆震故障占全年故障总量的50%左右，且尤以冬季生产高峰期间多发，极大地危害了机组安全运行，影响天然气生产效率，增加了维修维护工作量及成本投入。

1 爆震的危害

爆震会造成发动机动力下降、油耗增加、噪音加大、排放恶化，严重的可引起气缸壁、活塞、活塞环、气门、连杆及连杆瓦等运动件发生变形损坏，增大运行及维护成本。

2 卡特彼勒G3600系列发动机爆震控制策略

发动机每两个相邻气缸间设置一个爆震传感器，利用加速度传感器来测量发动机的加速度变化即震动值，对发动机的过度爆震进行监控。其采集气缸的震动数据并传送至ECM进行处理以确定爆震等级。若爆震传感器侦测到的气缸震动量超过ECM中的震动设定值，则ECM判定发动机爆震，随即延迟点火正时（点火提前角），若正时延迟无法抑制爆震到可接受的范围内，ECM会发出指令关闭发动机。

3 可能导致爆震故障的原因

3.1 发动机负荷过高

发动机超负荷运行会大大增加机组的爆震倾向，日常运行时需确保发动机负荷在合理范围内（80%～100%）。处理厂天然气压缩机组常年在85%～98%的负荷区间运行，不存在超负荷运行导致机组爆震倾向增大的可能。

3.2 爆震传感器故障

爆震传感器本身或相关电路的故障可能导致系统发出误报警。处理厂对系统接线进行了检查，确认爆震传感器本身及其接线完好无故障，排除传感器故障导致爆震频发的可能性。

3.3 气缸积碳

发动机润滑油加注过量会导致气缸积碳。排除故障时应检查是否存在以下情况：（1）在阀座上的堆积物；（2）在阀面上的堆积物；（3）在气缸内壁上的堆积物超过活塞活动的上限；（4）内部渗漏迹象。

处理厂通过故障统计并利用更换缸头的机会对气缸积碳情况进行了检查，未发现严重积碳现象，且严格落实“三级巡检”制度，确保机组各项运行参数在合理范围内。基本排除了气缸积碳造成各台机组频发爆震的可能性。

3.4 气缸进液

在某些情况下，乙二醇冷却液渗漏进预燃室并参与燃烧会导致爆震。日常运行中应监视各缸排气温度，若温度高于正常值，则需检查气缸是否有冷却液渗漏现象。此外，处理厂闪蒸气接入低压燃气系统。若闪蒸温度过高，会造成闪蒸分离器液相中分子量较大的烃类物质挥发成气相，这部分重烃类物质进入低压燃料气管网后，造成燃气数据与机组控制系统设置值不一致。自2014年低温分离器排液流程进行了自动连排改造后，流经凝液换热器的凝液呈小流量、连续性的特点，平均每分钟通流0.0054m3，这就使得闪蒸温度远远超过工艺许可范围，大量重烃进入燃气系统，爆震倾向大大增加。

3.5 空气进气温度过高

空气进气温度过高会导致气缸内混合气温度过高，从而引发爆震停机。可能导致空气进气温度过高的原因有：（1）环境温度高；（2）冷却液温度高；（3）中冷器过脏，换热效率差；（4）低浓度燃料运行；（5）空滤不畅；（6）温度传感器故障；（7）后冷却器冷却效果不佳。处理厂地处沙漠腹地，冬夏两季温差巨大，但机组爆震故障多发于冬季生产运行期间，故排除空气进气温度高导致机组爆震故障频繁的可能性。

3.6 针阀开度不当

针阀开度不当将引起预燃室内空燃比异常从而导致预燃室熄火，该气缸不工作，进而其它气缸会出现过载现象，并发生爆震。通过排查，各台机组每个气缸燃烧时间均存在程度不一的差异，判断针阀开度不当是引发爆震故障频发的原因之一。

3.7 空燃比不当

空燃比不当会造成气缸内混合气体的浓度比例失当，当混合气过浓时，容易引发爆震。考虑气田开发10年来，天然气组分可能发生微量变化进而影响燃气热值、比重等关键数据，燃气数据设置不合理可能是引起爆震故障频发的原因之一。

3.8 点火不良

如果某气缸出现点火不良现象，进而其它气缸会出现过载现象，并发生爆震。此时，防止机组出现点火不良就变成了抑制爆震的前提条件。综上所述，我们判断导致机组爆震故障频发的主要原因有以下几点：（1）气缸进液；（2）燃气数据失当造成空燃比不当引发爆震；（3）针阀开度不当引发爆震；（4）火花塞、单向阀故障引起气缸点火不良而诱发爆震。

4 抑制爆震的措施

4.1 调整系统内燃气数据设置

针对机组爆震故障在冬季多发、频发的情况，选在2015年8月对7台天然气压缩机组发动机燃料气重新取样，进行组分化验分析，重新标定燃料气设定热值。为使本次化验结果准确可信，最接近实际情况，取样位置选在燃料过滤器之后，燃气切断阀之前的压力表处。取得燃料气高位热值、低位热值、比重等关键数据后，由现场专业技术人员使用发动机控制诊断软件（ET）对系统内燃气设定值重新进行写入。

4.2 优化工艺流程已降低燃气内重烃组分含量

4.2.1 控制闪蒸温度，降低燃料气中重烃挥发性物质含量

为解决低温分离器联排后排液量过小造成凝液过热的问题，处理厂停运了1#、3#闪蒸系统，装置排液全部通过2#闪蒸系统进行处理，有效解决了上述问题。并对3台凝液换热器蒸汽进口管线调节阀阀芯进行拆检更换，对执行机构及温度连锁控制进行调试，保证阀门启闭严密，调节灵敏；在凝液换热器蒸汽进口旁通管线闸阀下游加盲板封堵，杜绝蒸汽因阀门内漏进入换热器，保证重烃类物质不因温度过高而进入燃气系统。

4.2.2 改造工艺流程，保障燃气品质

在燃料气区闪蒸气和不凝气出口管线处增设一台套管式换热器，与装置区低温分离器来液进行换热后进入新增的立式分离器，对凝析出的液体进行有效分离。分离后的液体进入凝析油稳定系统，气体进入燃料气系统经燃气分液罐再次分离，将燃气中重烃类物质含量控制在一个较低的水平，保障了燃气品质，抑制机组爆震倾向。通过改造，闪蒸气和不凝气析出的凝液将不再带入下游燃气系统，这将会有效降低机组爆震故障发生率。

图1 装置区低温凝液流程

4.3 定期检查针阀开度，标定燃烧时间

机组运行一定时间后，燃烧时间会发生不可控的偏移，为使机组保持良好的运行状态，每季度应使用卡特彼勒电子技师软件（Cat ET）对天然气压缩机组的燃烧时间进行一次标定，确保各气缸的实际燃烧时间与预定燃烧时间差异在±0.20ms之内。

4.4 加密火花塞检查频率

火花塞长时间工作后，中心电极与侧电极会因为金属端的损耗或积碳造成极间间隙的变化，该变化可能导致：（1）气缸失火从而造成其他气缸超负荷运行引起爆震；（2）火花塞积碳蓄热，造成燃料提前点火，引起不可控的爆震。为提高火花塞及单向阀的可靠率，机组每运行1000小时以上，需对火花塞进行检查，将电极间隙调整为0.29±0.03mm（0.011±0.001in）；对单向阀进行检查更换。

4.5 定期检查更换燃气滤清器滤芯

为减少燃气系统带液造成的发动机爆震故障次数，处理厂组织保运队伍每1000小时维护保养时对燃气过滤器滤芯进行检查，技术人员现场确认，发现异常及时更换。机组每运行5000小时后强制更换燃气过滤器滤芯。

4.6 加强运行参数监控及人员培训

运行状态监控是保证设备高效运转的关键所在，为此，需对操作员工进行系统培训，严格管理，确保机组运行状态受控。（1）对监控岗员工进行燃料气系统工艺流程培训，要求员工密切关注低压燃料分液罐液位，及时对分液罐进行排液操作；（2）对操作岗员工进行机组相关知识培训，使员工清楚各个关键点运行控制风险所在，从根源上杜绝润滑油加注过量、点火系统故障停机后盲目启机等现象。