燃气内燃机应用劣质油田伴生气的研究

王华磊，董志伟，潘新霞，李明晓，姚鹏

（中国石油集团济柴动力有限公司，山东 济南 250300）

1 前言

石油层间含有以甲烷、乙烷等为主要成分的气体，此类气体属于可利用不再生能源，在开采石油的过程中此类气体就会溢出。伴生气回收处理就是指对此类气体进行分离、提纯，最终得到纯的天然气混合液（NGL），然后进行天然气的销售。

早在20世纪60年代，伴生气回收处理在我国得以初步应用。从世界范围看，国外一些国家受技术的制约伴生气回收并不理想，再加上此类国家液体燃料资源丰富，从投入和产出比考虑，没有重视对伴生气的回收利用，大部分伴生气被就地燃烧或排向大气中。

国外一些油田电力发展严重滞后，电力供给不足，伴生气可以作为发电燃料以解决这一地区的电力供给不足等问题，同时，还可以缓解这一地区的环境污染。各地伴生气质量差异较大，一般都比较差，利用燃气内燃机发电很容易造成设备故障，进而影响油田的正常生产，降低油田的经济效益。因此，怎样根据劣质油田伴生气质量选择合适的内燃气进行发电就显得尤为重要，对此进行研究具有较强的现实意义。

本文将在全面分析劣质油田气源的基础上，就劣质伴生气对燃气内燃机的影响展开阐述。通过实验论证和理论推导得出科学的伴生气发电内燃机选型。

2 劣质油田伴生气气源分析

受地域差异的影响，油田伴生气中甲烷含量存在差异，我国四川盆地的伴生气甲烷含量超过80%。其他地区的伴生气含量一般低于这一数值，而伴生气含量一般在65%～85%。除了甲烷以外，伴生气中还含有乙烷、丙烷等其他烃类。伴生气的低燃值约为42.0kJ/m3（标况)。

伴生气各成分含量的多少决定了其特性，如燃值、空燃比等。根据伴生气成分特征分析出其对燃气内燃发电动机的影响。影响发动机功率输出的重要指标是混合气的低燃值，燃气成分不同空燃比不同（见表1）。

表1 国外部分地区油田伴生气组分

点燃式发动机抗爆性一般用甲烷值（MN）表示，而气体燃料甲烷值的评定方法为MSTM辛烷值评定法，在条件不变的情况下，对标准发动机进行甲烷值测定当被测气体燃料的甲烷值与已知比例的甲烷氢气混合气体的甲烷值相同时，则可以得出该气体燃料的甲烷值，即为标准燃料中甲烷的体积百分数。

利用相关软件对以上国家伴生气的甲烷值进行分析可知（表2），燃气的抗爆性与甲烷值呈正向关，即甲烷值越大，燃气的抗爆性越好（见表2）。

表2 气源分析甲烷值和气源处理后甲烷值

在非正常燃烧的情况下，发动机的活塞容易被烧坏，造成拉缸或活塞环、汽缸盖垫片损坏，更有甚者，造成连杆断裂等，从而引发安全事故。

为了消除对甲烷值的影响，常规做法是通过冷凝将其除去。常规的冷凝法有以下三种，即浅冷、中冷和深冷，三者的主要区别是温度不同，分别在-40℃、-70℃、-100℃条件下进行。

通过表3分析可知，正丁烷饱和蒸气压在20℃时为0.201MPa，此时，正丁烷为气体。当正丁烷为液体时，其处于C5+及以上。因此，从表中可以得出，采用中冷冷凝就可以实现C3+的液化。

表3 石油气的饱和蒸汽压表

在国外，对轻烃无特殊要求的地区，开发设备的投资成本比较高。因此，为了降低设备成本，可以采取冷凝法将C5去除，留下C4组分。去除C5组分的伴生气甲烷值略高于有C5的伴生气。

3 劣质油田伴生气对燃气发动机的影响

根据以上分析可知，劣质油田伴生气甲烷值普遍偏低，容易造成燃气发动机爆震。爆震引发极高的机械和热应力负荷。气体燃料的抗爆性决定了燃气机的工作原理和工作时间。燃气机气缸大小对抗爆性也有一定的影响，气缸尺寸与抗爆性呈反向关系，这是因为气缸尺寸越大，缸内温度越高，当缸内温度达到极值时，缸内气体体积最大。

为了有效预防爆震，可以采取以下几种预防措施：（1）设法降低负荷。（2）设法降低温度，采取冷凝气体的方法确保混合气体的温度稳定在40℃以下。（3）在确保效率的情况下，延迟点火，降低压缩比。点火过早会增加爆震的概率，点火过迟又会导致排气温度的提升，进而导致燃气机过早出现故障，缩短其工作寿命，降低了设备的使用效率。（4）增加混合气体中的空气含量，从而降低燃气机的热应力，提高设备的抗爆震能力。

4 AVL试验报告分析

采用定量分析法，对劣质油田伴生气甲烷值对发动机的影响进行分析。目前，国内外对这方面的研究较多。比如，发动机制造商卡特、MAN在其出厂的发动机说明书中，明确指出，在甲烷值低于某一数值的燃料，不能使用该发动机。

发动机设计机构AVL公司也曾有过这方面的研究。

发动机均效压力与燃料甲烷值之间存在某种关系，如图1所示。进一步分析可知，在图1中，横线表示发动机的输出功率，而爆震限制线为直线，表示在该直线上发动机无爆震现象，与之对应的值即为允许的燃料甲烷值，直线以下的值则表示存在爆震现象，与之对应的是不允许的燃料甲烷值。

图1 甲烷值对发动机爆震的影响

发动机均效压力与增压中冷后的进气温度存在某种关系，如图2所示。在确保不出现爆震的情况下，随着进气温度的提升，要适当降低发动机的输出功率，或在输出功率不变的情况下要适当降低进气温度。

图2 中冷后进气温度对发动机爆震的影响

5 现场实际应用介绍

以我厂在中亚某项目中产生的伴生气为例，该油田产生的伴生气成分如表5。

表5 中亚某项目气源组分

由图3可知，气源甲烷值为54.2，经过相关处理后甲烷值为64.56。

图3 中亚项目现场运行情况

现场配置机组4台，每台功率为1000kW,实际工作功率约为520kW。在对机组进行调试时，发现每台机组可以达到720kW。

以伊拉克某油田伴生气项目为例，现场配置机组10台，每台机组功率为2000kW，具体如表6。

表6 伊拉克现场气源组分

该油田伴生气甲烷值为59，实际持续输出功率为1150kW。在对机组进行调试时，发现每台机组可以达到1300kW。该油田所在地区最高温度达到50℃，这一温度对机组的输出功率产生了影响。

以上两个油田伴生气发电项目实际工作输出功率在70%左右（65%～75%），这一结果与AVL公司的实验高度吻合。

6 结语

本文在全面阐述国际产油区劣质伴生气特征的基础上，就其对燃气内燃机的影响进行了分析，就合理科学利用此类气体的投入的必要性进行了简要概述。通过项目实际运行与AVL公司实验结果对比，为劣质油田伴生气发电项目的内燃机设备选型提供理论参考。