颜巴赫燃气发电机组在油田钻机供电领域的应用

0 引言

颜巴赫燃气发电机组目前已经广泛应用在天然气冷热电三联供、生物沼气、垃圾填埋气和煤矿瓦斯等领域，具有综合效率高、污染物排放低等优点。然而，燃气发电机组对于使用环境和场景都有一定的要求。油田钻机由于使用环境恶劣，负荷突变等特征，传统上都是使用柴油发电机组作为电源。如果燃气发电机组用于油田钻机，则必须进行相关改进，以满足油田钻机的特殊要求。

钻井设备一般数个月就要转场，因此发电机组也要随之一起在井场之间移动。这一点和传统的燃气发电机的应用场所有所不同，后者一般是不移动或者极少移动的。

1 油田井场环境条件

以我国西部的井场为例，沙漠地区的沙尘天气发生频率非常高。例如，克拉玛依市位于中纬度内陆，属典型的大陆性半荒漠气候，干旱少雨、春秋多风是其突出的气候特征。冬季寒冷，夏季炎热，春秋季较短，冬夏温差大。年平均大风日数高达70天以上，年平均气温8.6℃，无霜期225天，平均日照时数2700小时。一年中最高月平均气温为7月，平均气温27.9℃，最低月为1月，平均为-15.4℃。

2 集装箱机房通风过滤设计

集装箱式机房要考虑到当地的气候条件，尤其在夏天炎热的环境下，机房要保证足够的通风量，维持机组运行所需的空气温度不超过50℃。机房应设计成强制进风，自然排风，使机房内部环境为微正压。

此外，集装箱式机房的进风口也要具备过滤大颗粒沙尘的能力，确保在遇到大风沙天气时机房内仍有足够的空气流量。沙尘对发电机组有较大危害，助燃空气如果含有大量沙尘，会堵塞发动机空滤，严重的会进入发动机气缸内部，造成严重损坏。根据资料，颜巴赫发电机组要求助燃空气质量等级达到EN779G3级别。因此，集装箱机房空气过滤器需要提高过滤沙尘的能力，同时还要保证发动机正常运行所需的空气流量。

3 钻机负荷特性

油田钻机主要由起升系统、旋转系统、循环系统、驱动与传动系统、气控系统和井控系统等组成，电气设备主要有绞车、转盘和泥浆泵等，驱动方式一般为直流或交流电机驱动。绞车是钻机的核心部件，在钻井过程中主要担负起下钻具、下套管、提取岩芯筒等，一般由交流变频电动机驱动。ZJ70/4500DB为例，其主要电气设备负荷如表所示。

钻井工作主要包括钻前工程、钻进工程和完井作业三个阶段，每个工程又有各自的工序。钻进工程主要工序一般包括：一次开钻、二次开钻、钻进、起钻、换钻头、下钻等。

在不同的工序中，随着井深的变化，负荷的变化也非常大。其中起钻时会出现突加负荷，尤其是高速起钻的情况下。这种突加负荷取决于钻井作业过程，突加负荷的大小和时间变化很大并且极不稳定。

这就要求发电机组能够对负荷突加做出迅速反应，不能因负荷突加而跳机，否则影响钻井作业的安全。同时，其他工序阶段负荷可能长时间处于较低水平，发电机组需要在一定时间内运行在低负荷状态下。

下图是某钻井过程的示意图，主要是显示各个过程的大致功率变化情况，不包含地质等原因导致的负荷突变情况。在实际情况中，每道工序时间不一样，且每道工序里的负荷也是波动的，这里未对细节进行显示。

4 发电机组性能曲线

发电机组在负荷突然增加或减少时，输出电压和频率会随之变化。这种变化行为主要由机械和电气属性所决定。为了说明发电机组在负荷突变时的电压和频率特性，需要先确定发电机组的加载和减载能力。同时还需要考虑负载的叠加因素，以及伴生负载等。

发电机组的加载能力取决于发动机速度调节器，平均有效压力BMEP，涡轮增压器的动态特性，燃气调节特性，以及发电机AVR的设定。同时，发电机组的转动惯量也有一定影响。

由于上述诸多影响因素的功能叠加的影响无法量化，因此需要以最大允许的电压降和频率降作为指标，给出推荐的加载平均值。

ISO8528-5将内燃机的孤岛运行设计性能分为G1-G4四个级别，规定了各自的指标极限值。

发电机组厂家一般会提供功率加载和减载曲线图，下面的示意图显示了在规定的电压和频率限值以内，机组能够加载的最大值。横轴显示当前负荷率，纵轴显示加载负荷率。例如，G2等级在图上对应的加载率是20%，也就是说单步突加负荷在20%以内时，电压或频率波动不会超过G2限值。

由于钻机的主要负荷是由交流变频电动机驱动，因此需要综合考虑交流变频电动机的电压和频率允许波动范围。如果超出，则钻机无法正常工作。所以燃气发电机组在钻机上应用的主要难点还是在于负荷变化难以控制，无法确保负荷变化在发电机组所要求的范围内。

5 解决方案

如前面所说，钻机的负荷特性比较复杂。为保证钻井安全，要求发电机组在工作过程当中不能停机。这就必须使发电机组能够适应各种工况，尤其是极端情况。增大发电机组的数量虽然可以抵御更大的负荷冲击，但是并不经济。而发电机组自身的负荷特性不足以满足井场恶劣的负荷变化情况，这样一来，就需要使用外接附属设备减少对发电机组的冲击。当前解决方案主要有如下两种。

1）负载箱

负载箱(Loadbank)是一系列电阻性负载组成的电气设备，一般可以单台使用或者自由组合，容量灵活。在钻井电机上的应用上，负载箱可以作为一部分基础负荷，一方面在钻井负荷低时可以稳定发电机组的运行，另一方面，在钻井负荷突然增大时，能够通过迅速甩开负载箱，以减少发电机组的冲击负荷。

负载箱的缺点是，工作时它通常作为基础负荷消耗发电机组的电能，是耗能且不经济的。并且它无法增大发电机组的总带载能力，只能解决发电机组容量以内的瞬时负荷冲击问题。

2）电池储能

电池储能系统可以与发电机组并列运行，其作用是在负荷高时输出电能。电池在充满电的情况下，如果遇到突加负荷超过发电机的承受能力，电池可以迅速放电，作为补充电源，减少发电机组的冲击，缓解电压和频率的波动。电池的选型和容量大小根据钻机的需求，电池的特性以及井场的条件等综合因素而定。

电池储能的优点时，一方面可以通过放电加大发电机组的总带载能力和瞬时负荷冲击能力，另一方面，它不是耗能设备，从节能角度来说是经济的。

国内已经有使用燃气发电机组和电池储能系统相结合应用于钻机的案例，使用结果表明该系统是有效的。在某钻机系统中，采用3台颜巴赫J320（其中1台为备用）燃气发电机组，每台输出功率约1MW，电池储能容量约1.2MVA。经过实际验证，该系统带载性能优异，完全满足现场需求。

6.总结

负载箱和电池储能两种方式比较而言，技术上均可以满足井场的负荷突变需求。前者成本低，技术成熟，但是能耗大；后者基本不耗能，但是成本高，系统和维护工作相对复杂。

燃气发电机组在油田钻机上的应用尽管目前还处于初期发展阶段，长期来看有望逐步替代传统的柴油发电机组。从经济性的角度，其与柴油机的比较取决于燃料价格等因素。从环保的角度，燃气发电机组氮氧化物的排放比柴油机低，与我国未来实现“碳中和”的目标不谋而合。