柴油机供油罐优化结构设计

张杰　曹巍巍　郝丽军

摘要：野外钻井作业现场离不开柴油机为钻井作业提供动力和照明，为了保证柴油机不会因为供油不足造成熄火停机，供油罐的选择至关重要。井场中常见的供油罐按照供油方式分类主要有3种：常规油罐结构简单耗电多;高架油罐耗电少拆装工作量大;恒压油罐自动化程度高，易拆装，节能省电。按照结构形式可分为单层油罐和双层油罐。本文就以上几种供油罐的优化结构设计进行阐述。

关键词：柴油机;常规油罐;高架油罐;恒压油罐;双层油罐

0  引言

石油钻井行业中各种型号的钻机，不论是相对先进的电动钻机还是比较陈旧的机械钻机，均需要电来驱动。若钻井队距离生活区较近可以与当地协商使用网电，若较远就需要使用柴油机发电，给井队的生活区和生产区提供照明和动力，每个钻井队都配有主发电机组和辅助发电机组。以40电动钻机为例2台钻井泵同时使用正常钻井作业时功率约为2500千瓦，生产周期大约为15天，使用柴油机发电方便快捷，受制约因素少。每个供油罐都由罐体和泵组组成，罐体形成轮廓用于柴油的储存，罐体按照结构外形结构分为圆柱型和方形两种最为常见;泵组由电控、油泵、管汇、滤油器、流量计及阀门组成，各种形式的油罐其泵组的组成和功能大致相同。根据井场的用油量选择油罐的储存容积和数量。以下就井场中常用的几种供油罐按照供油方式进行分析。

1  常规油罐

常規油罐是井场中最常见的油罐，柴油机的供油和回油都在一个油仓。该油罐的优点是结构简单、操作方便、维护成本低，最关键的一点是要不间歇的运转给柴油机供油，给本来极度缺电的井场造成电力浪费，同时也减少了油泵的使用寿命，增加钻井队的成本。运输尺寸决定罐体的高度要求，依靠柴油机的自吸功能只能使用吸入罐内20%的柴油，剩余的柴油必须使用泵供。该油罐油泵的选择至关重要，钻井初期一台油泵的流量要能同时满足两台或者三台柴油机的用油量;钻井中后期一台油泵只需要满足一台柴油机的用量即可，但是油泵的流量是额定的就造成供大于求的现象，需要分流一部分回到罐内反复循环，这样也造成能源的浪费。所以该油罐在钻井现场不太受欢迎。常规油罐结构见图1。

2  高架油罐

高架油罐是井场中使用率最高的油罐，高架油罐由底罐和高架小罐组成，运输时将高架罐折叠或升降到底罐的橇座上，到达井场后立起高架罐。不论是圆形或方形，高架罐的容积一般在5方左右，高度为5-6米，保证柴油机的日常用油。

该罐的电控箱需要增加自动控制，高架小罐上安装有防爆液位自动控制开关。高架罐内的油液面到达设定的低位时，开关传递信号给电控箱内的油泵开关，油泵启动将底罐内的柴油补充到高架罐上;液位升到设定的高位时，开关传递信号关闭油泵。管线连接高架罐与柴油机，依靠高架罐与柴油机高压油泵的高度差将高架罐内的油输给柴油机，满足柴油机的日常用油。

该油罐的优点是高架罐设置液位控制开关后可以实现油泵间歇性的供油工作，节省电力成本，减轻工人劳动强度。其缺点是拆卸和安装过程中必须使用吊车将高架罐吊起，2-3人配合安装高架罐的固定杆，且不能一次安装到位，需要几次调整，存在安全隐患，易出现意外[1]。曾经就有升降式高架柴油罐因为固定杆的连接销轴未安装到位造成高架罐滑落伤亡人员事故发生。所以使用高架油罐必须人与吊车配合好，安装完毕后仔细检查连接部位是否安装牢固，避免造成事故发生。高架油罐结构见图2。

3  恒压油罐

结合以上两种油罐的不足，恒压油罐应运而生。恒压油罐依靠变频控制电控箱来控制油泵实现恒压供油，泵组内增加小容量缓冲罐容积为50L，可应对油泵直接输出对柴油机产生的水锤效应冲击，缓解系统压力波动，确保系统的稳定供油。

变频控制电控箱内部安装有变频器、智能控制表及必备电气元件，缓冲罐上安装有压力表和压力传感器。其工作原理是油泵吸入储油仓的柴油经缓冲罐供给柴油机，缓冲罐根据柴油机的耗油量设定工作压力，低于工作压力时压力传感器传递信号给电控箱内的智能控制表，智能控制表反馈给变频器命令，变频器根据柴油机的耗油量控制油泵电机转速进而控制油泵的输油量，达到恒定压力给柴油机供油，当柴油机耗油量减少缓冲罐达到设定工作压力时传递信号关闭油泵。缓冲罐内的工作压力根据柴油机的耗油量，调整供油排量。泵组内安装两台油泵一用一备（即有一台出现故障另一台及时代替其工作），两台泵均设自动控制，缓冲罐给两台油泵中的切换运行留出足够时间，实现给柴油机不间歇供油。缓冲罐底部有排水口，其另一个作用是可以定期将柴油中掺杂的少量水在罐内沉淀后排出，恒压油罐泵组内部结构图见图3。

电控箱密封不严受潮引起电路短路，烧毁电器元件的情况时有发生，该变频控制箱内安装有自动烘干电控系统，原理为凝露传感器传递信号给温湿度控制器，进而通过自启动器启停加热器，达到电控箱内恒温恒湿度的目的。

4  双层油罐

国内的钻井现场多使用单层罐体进行柴油储存，而在中东一些产油大国钻井作业多在沙漠地区，同时环保部门的严厉监管不允许有柴油渗漏落地情况发生，所以要求油罐在制作时采取防漏措施。虽然油罐在出厂时都经过试验测试渗漏，但是难免有焊接过程中出现气孔、咬边等焊接缺陷发生，柴油的密度较水轻，长时间灌装柴油后会出现渗漏情况，此时亦不能焊接修补，所以采取防漏措施是非常必要的。常见的防漏措施有两种：增加围堰和双层结构，双层结构有：双层方罐、圆套圆、方套圆三种常见形式。

增加围堰结构多见方形油罐，围堰高度约为200mm在罐体四周，留一排放口定期进行统一收集，该结构漏油储存量少只适用于少量微渗漏情况发生。

双层方罐顾名思义是在方形油罐制作过程中焊接双层墙板实现防渗漏的目的。制作工序简单，制作成本低，但是存在死角多，污油泥较多。

圆套圆和方套圆是在圆形油罐的外层又增加一层圆形罐或者方形罐，进行全包围或者半包围覆盖，防止柴油的渗漏，低位留有排污口进行清理。此种油罐的防渗漏效果较好，制作难度大，故制作成本高。

5  结语

以上几种油罐的结构可根据钻井现场柴油机的实际需求进行选择，都可以制作成方形和圆柱形。方形供油罐制作简单、制作成本低、容积大，存在死角多。圆形油罐受运输尺寸限定，储存容积小、制作成本高、流动性好，无死角。

随着钻井现场的不断减员智能自动化、人性化的供油罐越来越受到钻井工人的青睐。为了防止冬季罐内的柴油低温结蜡，造成柴油机供油不足熄火停机现象发生。采取在输油管线上包裹电伴热带，罐内部增加蒸汽盘管，泵室内安装电加热器等措施。

参考文献：

[1]李克宁.新型钻井柴油机供油装置设计与应用 石油矿场机械，2010，39（2）：90.

[2]丁技峰，王增全，刘江伟，于宝金.高强化柴油机性能优化耦合计算研究[J].内燃机与配件，2019（22）：19-22.

[3]韩凤禹.柴油机喷油泵供油提前角的检查与调整[J/OL].农机使用与维修，2019（12）：76.