油气田用集装箱式柴油发电机组的设计.pdf

与车辆122023年第4期移动电源油气田用集装箱式柴油发电机组的设计吴亚苇汤明星（泰豪电源技术有限公司，江西南昌3 3 0 0 2 0）摘要：为了满足油气田钻探设备主用电源的需求，设计了6 6 0 V油气田用集装箱式柴油发电机组。结果表明：该机组具有紧急停机防爆、启动防爆及排气防爆功能，且具有箱体进风防沙尘功能；并具有集控并机功能，以及远程实时监控机组运行状况、故障报警及在线诊断和服务等功能；机组的动态指标能力强，可适应用户现场负载频繁突变，输出稳定且可靠性高，还具有功能非常全面的自动控制及保护能力。关键词：油气田；集装箱式柴油发电机组Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.04.004中图分类号：TM611文献标志码：A文章编号：1 0 0 3-42 50（2 0 2 3）0 4-0 0 1 2-0 51引言油气田是石油和天然气的集散地，它为国家的发展带来了巨大的潜力。油气田的勘探与开发，是对油藏、气藏及油气藏的合理开发，通过现代化的技术手段，将石油和天然气从地下开采到地面上来，在经过一系列有效的油气集输程序之后，最终得到可供人们使用的油气产品，创造可观的经济效益。油气田的勘探与开发在国民经济发展中发挥着非常重要的地位，近年来，我国对石油和天然气的需求量也越来越大 1-3 。我国许多油气田地处沙漠或高原，这些地区地广人稀，市电常供应困难或不足，在油气田勘探与开发过程中，油气田钻探设备的供电成了难题。柴油发电机组是一种机动性非常强的发电设备，使用时基本不受场地条件限制，能够连续、稳定、安全地提供电能，可广泛应用于油气田的勘探与开发 4。而集装箱式柴油发电机组由于基本上采用标准集装箱结构制造，且具有模块化、集成化、占地面积小、土建施工量少、投资少、建设周期短、便于移动、运输方便，可有效防雨防风沙、噪音低等特点，深受客户的青睐，已成为油气田钻探设备不可或缺的重要供电设备 5。为给油气田钻探设备提供可靠的供电电源，设计研发了油气田用集装箱式柴油发电机组。文中的发电机组电压6 6 0 V，具有紧急停机防爆、启动防爆及灭火星防爆功能以及箱体进风防沙尘功能，并具有集控并机功能和远程集中监控功能，机组的动态指标能力强，可适应用户现场负载频繁突变，满足油气田工况实用需求。2油气田用集装箱式柴油发电机组设计原则及要求2.1油气田用集装箱式柴油发电机组设计原则为了满足油气田勘探与开发设备主用电源的使用要求，在设计6 6 0 V油气田用集装箱式柴油发电机组时遵循的原则有：（1）在产品安全性方面，满足机组在油气田工况爆炸性气体环境下的使用要求。（2）在产品性能指标方面，满足GB/T2820.1-2022等相应的国家标准，同时满足用户的使用要求。（3）在产品选型配置方面，在满足设计要求的前提下优先选用国内知名品牌的高性能柴油机和发电机。13与车辆移动电源2023年第4期（4）在产品设计方面，结合公司柴油发电机组研发设计经验，满足油气田用发电机组在多沙尘且具有可燃性气体的恶劣环境下的使用要求，并进一步提油气田勘探与开发设备主用电源的可靠性，降低成本。2.2油气田用集装箱式柴油发电机组设计要求660V油气田用集装箱式柴油发电机组的技术指标参数见表1。表1660V高压柴油发电机组技术指标项目技术指标环境温度（）-3045额定功率（kW）1000功率因数0.7（滞后）额定电压（V）660额定电流（A）137额定频率（Hz）50额定转速（r/min）1500噪声（dB（A）90稳态电压偏差1%瞬态电压偏差+20%,-15%电压恢复时间3s瞬态频率偏差+10%,-7%频率恢复时间3s稳态频率带0.5%空载线电压波形畸变率5%空载电压整定范围5%3油气田用集装箱式柴油发电机组设计方案3.1油气田用集装箱式柴油发电机组整体结构660V油气田用集装箱式柴油发电机组主要由集装箱、柴油机、发电机、散热水箱、公共底盘、消声器、浮子油箱、油水分离器及控制屏等组成。机组整体结构设计如图1 所示。3461.消声器2.集装箱3.浮子油箱4.公共底盘5.散热水箱6.柴油机7.发电机8.油水分离器9.控制屏图1660V油气田用集装箱式柴油发电机组整体结构本机组集装箱采用1 0.5米非标集装箱，其具体尺寸为1 0 50 0 mm3000mm2896mm（长宽高）。集装箱采用隔板将整个箱体分隔成机组室和排风室，箱体进风口设置在机组尾部，进风口设置有防沙百叶，有效防止沙尘进入箱内，排风室顶部设置出风口，机组排出的热风从顶部排出。机组室的正中央位置设置柴油发电机组，柴油机采用康明斯KTA50-G12柴油发动机，该柴油机选用WOODWARD2301数字式速度调节器与EG-3p执行器组合成的燃油控制系统，更适合油气田工况下负载突加突减的变化。发电机采用马拉松公司生产的660V油气田专用发电机，该发电机，进风口采用IP44、出风口采用IP23的防护结构，适应多尘、多沙等恶劣环境使用。且发电机采用PMG永磁励磁及成型绕组，能很好的抑制发电机带非线性负载时出现的电压振荡。散热水箱采用50 度全铜水箱，适合高温环境使用且满足机组散热需求。柴油机和发电机采用联轴器连接，并通过橡胶减震器安装公共底座上，此连接方式能更好的避免机组带载时负载变化产生的冲击与振动。发电机旁设置控制屏，控制屏正对集装箱侧面的观察门，打开观察门后可直接操作。公共底盘上还设有浮子油箱和油水分离器，浮子油箱可解决远14与车辆2023年第4期移动电源距离供油/回油困难问题，油水分离器可过滤燃油中的水和杂质，清洁燃油。集装箱箱体顶部还设有灭火星消声器，降低机组排气噪音的同时可熄灭排气气流中的火星，提供机组使用的安全性。3.2油气田用集装箱式柴油发电机组防爆设计为确保油气田工况机组使用的安全性，我们主要从紧急停机防爆、启动防爆、排气防爆三个方面进行防爆设计。a.紧急停机防爆设计油气田工况下空气中含可燃性气体，当柴油机发生剧烈震动或超速时，单纯依靠关闭油路停机，无法保证柴油机的紧急停机的可靠性，因此，我们在发动机空气进气口安装进气关断阀，确保进气切断后发动机能立即停止运转。进气关断阀带位置开关，与机组进行闭锁启机设计，避免进气关断阀关闭时机组误启机而造成发动机损坏。进气关断系统的控制原理如图2 所示，进气关断系统在柴油机上安装了两个进气关断阀SSK1和SSK2。当柴油机发生急停或超速故障时，电磁阀K1工作吸合形成回路，进气关断阀SSK1和SSK2瞬间得电关闭。自锁系统的电磁阀K3和K4同时得电，断开系统输入信号线路开关，并启动机械自锁装置形成机械连锁，保持叶片阀处于关闭状态，截止外部空气进柴油机，强制停车，发出进气关断报警同时闭锁控制器启动。当柴油机停车完毕后排除故障，手动复位K3和K4开关使叶片阀处于打开状态，可以正常给柴油机提供空气；K5继电器断电，消除进气关断报警并解除启动闭锁，允许开机。紧急停机超速修机24V至控制器报警井闭镜启动K1SSKSSK2K5GND图2 进气关断系统原理图b.启动防爆普通柴油机启动方式为电马达盘车启动，该启动方式会因瞬间大电流放电产生电火花，在具有可燃气体的油气田工况下易产生安全事故。因此，我们把柴油机启动方式改为气马达启动，避免柴油机启动时产生电火花，防止发生安全事故。现有的气启动马达主要有叶片式和涡轮式两种。涡轮式气马达是冲击式的，靠高压气流支架吹动涡轮工作，涡轮与壳体之间不接触，更耐磨，寿命长，无需加润滑油，对气源质量要求相对较低，工作更可靠，维护更简单。因此，我们采用涡轮式气马达。c.排气防爆柴油发电机组中的消声器能有效降低机组排气噪声，但排烟气流中也易带未燃尽火星，在具有可燃性气体环境下使用具有安全隐患。因此，我们在消声器中设置灭火星膨胀消声腔，以熄灭排烟气流中的火星。同时灭火星膨胀消声腔下方设置集灰盒，集灰盒底部设有堵头，以便清除积灰。灭火星消声器结构示意图如图3 所示，消声器灭火星原理如下：柴油机排烟气流通过进气管流进膨胀消声腔中，膨胀消声处理，然后排烟气流通过导流管流入到灭火星膨胀消声腔中，由于导流管的下游端朝向灭火星膨胀消声腔的腔壁，排烟气流从导流管下游端流出时会顺着灭火星膨胀消声腔的腔壁流动，排烟气流携带的火星将被腔壁以及灭火星膨胀消声腔顶角截留，最后汇集到集灰盒中，排烟气流再通过出气管排至消声器外。灭火星膨胀消声腔排气口进气口导流管集灰盒图3 灭火星消声器结构示意图3.3油气田用集装箱式柴油发电机组防沙尘设计由于机组使用工况风沙大，甚至在沙漠地区，因此机组的防沙尘设计尤为重要，主要从柴油机防沙尘、发电机防沙尘、集装箱进风防沙尘、集装箱耐候四方面进行考虑。a.柴油机防沙尘15与车辆2023年第4期移动电源当机组工作在风沙大地区时，柴油机进气系统中空气过滤器防尘性能的好坏对柴油机寿命有较大的影响，同时决定着后续维护保养频率。因此，我们选用带保护滤芯且双层滤芯设计的重型空气过滤器，该重型空气过滤器过滤效果好且容灰量大，可为柴油机运行提供洁净的空气。b.发电机防沙尘油气田用发电机上箱采用全封闭结构，达到IP54防护等级，进风口安装IP44防护网，排风口采用IP23的防护结构，有效隔绝了大量小颗粒物体被吸入发电机，确保发电机的稳定运行。c.箱体进风防沙尘集装箱进风口上设置的进风百叶采用S型防风沙百叶，其结构示意图如图4所示，该百叶窗内设有防雨、防沙组件，通过S型通道阻止大颗粒沙粒进入集装箱内，当沙粒被阻隔后向斜面并往下沉淀后，可通过前端面流至百叶窗外部。图4S型防风沙百叶结构示意图d.集装箱耐候集装箱长期处于风沙天气中，沙尘会对集装箱表面油漆造成损坏，使集装箱表面锈蚀，影响产品质量。因此，集装箱外表面在喷涂三层油漆（低漆、中间漆、面漆）后，再在表面喷涂一层清漆。清漆为一种透明涂料，干燥后能形成光滑薄膜，薄膜能够缓解风沙对面漆的破坏作用，使集装箱的表面油漆在风沙环境中使用寿命更长。3.4油气田用集装箱式柴油发电机组集控并机系统设计机组控制系统接到VFD房内集中监控系统的装的位置，然后通过WIFI或LAN将机组的运行数启动指令后，对柴油机发出启动命令，气启动马达得电，开始盘车，经过稳定运行时间，机组正常运行，采集发动机的传感器信号以及发电机的电流电压信号，当发生异常状况时，发出报警信号或停机指令，若报警为急停或超速停机指令，则自动切断进气关断阀，确保机组可靠停机。当进气关断阀切断后，必须要手动复位，否则会闭锁控制器，限制机组再次启动。集控并机系统图如图5所示，并机控制系统接收机组转速信号和电压信号引至并机控制系统，当接收到集中监控系统发出的并机指令后，并机控制系统对比母排转速和电压，利用PID算法通过调整燃油控制系统和DVR来调节本台机组的转速和电压，并控制并联柜的合闸，以实现同期功能。电液采糕电东采糕传感器信号采集疗停挖制机组控发动机发电机制系统转速传感器电子调速器电压信号AVR电压果样并机控制系统图5集控并机系统图3.5油气田用集装箱式柴油发电机组远程监控系统设计机组控制系统设置在机组旁边，实现机组的启动/停止控制以及相关技术参数的采集，并机控制系统通过RS485通讯实现不同机组的并联运行，主控制系统则负责协调整个系统的运行，实现系统的逻辑控制，三个控制系统位置相互独立。为了保证机组并联运行的稳定性，各控制系统之间采用双链路通讯，通过通讯穴余模块将各个系统采用RS485接口和CAN总线进行连接，当主链路出现故障时，备用链路可无缝接替主链路进行通讯，可避免发生单点故障而导致系统无法并联运行。此外机组安装了远程数据传输终端，能支持RS485、J1 9 3 9 控制器通讯协议，由于沙漠地区无GPRS信号，现通过无线网桥将信号发送到机组数据实时的传输到云动力平台，云动力平台对柴油发16与车辆2023年第4期移动电源电机组进行实时远程监控管理，针对相关异常现象进行在线诊断和服务。随着国内油气田生产规模的逐步壮大，油气田的生产运行与监控管理模式逐渐成为该行业关注的核心内容 6 。用户可通过网页或手机APP登陆云平台数据中心，查看各个发电机组的当前状态，进行远程管理操作，并接收实时报警信息。从而实现发电机组的实时监控、远程控制、数据分析、故障预警及自我诊断等功能。机组远程监控系统链路图如图6 所示。云监控系统紫由安电机相控割系统#TF1威4G-LTE.云动力平台电话紫油发电机组韩电发电机络：柔油孔电机缆单机控制模块单机控制模块单机控制携块HS4XS主控制模块-升机控制模块并机控制模块并机控制横块触横屏TR5485R5-485.RS485气拿通讯棋块汽全通讯模块凡净通讯树块气余谨讯楼块R54853CALSRS485CAN5主控制系统开机控制系统图6 远程监控系统链路图4结束语此次研发设计的6 6 0 V集装箱式柴油发电机组主要作为油气田勘探与开发的主用电源，通过试验现场调试，结果表明机组的各项性能指标均达到或优于原设计指标，机组具有紧急停机防爆、启动防爆及排气防爆功能，且具有箱体进风防沙尘等功能，适合于具有可燃气体及沙尘大的油气田环境使用；具有集控并机功能，用户现场操作便捷；当机组使用在环境恶劣且无4G信号的沙漠地区时，又具备远程实时监控机组运行状况、故障报警及在线诊断和服务等功能。机组的动态指标能力强，可适应用户现场负载频繁突变，输出稳定且可靠性高，还具有功能非常全面的自动控制及保护能力。与市场同类产品相比，该机组人机界面友好，产品维护简单，能可靠的给油气田供电。参考文献：1 郭阳.论自动化系统在油气田开发中的应用 .中国石油和化工标准与质量,2 0 2 2,42(2 4):1 1 3-1 1 5.2曹曹建军.油气田开发现状及发展趋势 .云南化工,2 0 1 8,45(0 9):1 7 5-1 7 6.3 祝继东,王绍林.典型油气田NORM现状调查 .辐射防护通讯,2 0 2 2,42(0 2):9-1 3.4 杨贵恒,张海呈,张寿珍,钟进.柴油发电机组实用技术技能 M.北京：化学工业出版社,2 0 1 3.5孙勇,殷治梅,吴宁宁.1 MW集装箱式柴油发电机组设计研究 .内燃机与配件,2 0 2 0(2 2):1 6-1 8.6 孙国宝,蔡志强,王伟.智能油气田云上SCADA集中监控模式研究 J.中国管理信息化,2 0 2 1,2 4(2 4):1 1 6-1 1 7.作者简介：吴亚苇（1 9 8 8 一），女，助理工程师，研究方向：柴油发电机组设计。Design of Container Diesel Generator Set for Oil and Gas FieldWU Yawei,TANGMing xing(Company of Tellhow Power Technology,Nanchang 330020,China)Abstract:In order to meet the demand of main power supply for oil and gas field drilling equipment,a 660V container dieselgenerator set for oil and gas field is designed.The results show that the unit has the functions of emergency stop explosion-proof,start explosion-proof and fire star explosion-proof,and has the sand and dust prevention function of box inlet air.It also has thefunctions of centralized control and parallel operation,remote real-time monitoring of unit running status,fault alarm and onlinediagnosis and service.The dynamic index ability of the unit is strong,can adapt to the frequent sudden change of the users on-siteload,the output is stable and high reliability,but also has a very comprehensive function of automatic control and protection.Key words:oil and gas fields;container diesel generator set