0 引言

顏巴赫燃氣發電機組目前已經廣泛應用在天然氣冷熱電三聯供、生物沼氣、垃圾填埋氣和煤礦瓦斯等領域，具有綜合效率高、污染物排放低等優點。然而，燃氣發電機組對于使用環境和場景都有一定的要求。油田鉆機由于使用環境惡劣，負荷突變等特征，傳統上都是使用柴油發電機組作為電源。如果燃氣發電機組用于油田鉆機，則必須進行相關改進，以滿足油田鉆機的特殊要求。

鉆井設備一般數個月就要轉場，因此發電機組也要隨之一起在井場之間移動。這一點和傳統的燃氣發電機的應用場所有所不同，后者一般是不移動或者極少移動的。

1 油田井場環境條件

以我國西部的井場為例，沙漠地區的沙塵天氣發生頻率非常高。例如，克拉瑪依市位于中緯度內陸，屬典型的大陸性半荒漠氣候，干旱少雨、春秋多風是其突出的氣候特征。冬季寒冷，夏季炎熱，春秋季較短，冬夏溫差大。年平均大風日數高達70天以上，年平均氣溫8.6℃，無霜期225天，平均日照時數2700小時。一年中最高月平均氣溫為7月，平均氣溫27.9℃，最低月為1月，平均為-15.4℃。

2 集裝箱機房通風過濾設計

集裝箱式機房要考慮到當地的氣候條件，尤其在夏天炎熱的環境下，機房要保證足夠的通風量，維持機組運行所需的空氣溫度不超過50℃。機房應設計成強制進風，自然排風，使機房內部環境為微正壓。

此外，集裝箱式機房的進風口也要具備過濾大顆粒沙塵的能力，確保在遇到大風沙天氣時機房內仍有足夠的空氣流量。沙塵對發電機組有較大危害，助燃空氣如果含有大量沙塵，會堵塞發動機空濾，嚴重的會進入發動機氣缸內部，造成嚴重損壞。根據資料，顏巴赫發電機組要求助燃空氣質量等級達到EN779G3級別。因此，集裝箱機房空氣過濾器需要提高過濾沙塵的能力，同時還要保證發動機正常運行所需的空氣流量。

3 鉆機負荷特性

油田鉆機主要由起升系統、旋轉系統、循環系統、驅動與傳動系統、氣控系統和井控系統等組成，電氣設備主要有絞車、轉盤和泥漿泵等，驅動方式一般為直流或交流電機驅動。絞車是鉆機的核心部件，在鉆井過程中主要擔負起下鉆具、下套管、提取巖芯筒等，一般由交流變頻電動機驅動。ZJ70/4500DB為例，其主要電氣設備負荷如表所示。

鉆井工作主要包括鉆前工程、鉆進工程和完井作業三個階段，每個工程又有各自的工序。鉆進工程主要工序一般包括：一次開鉆、二次開鉆、鉆進、起鉆、換鉆頭、下鉆等。

在不同的工序中，隨著井深的變化，負荷的變化也非常大。其中起鉆時會出現突加負荷，尤其是高速起鉆的情況下。這種突加負荷取決于鉆井作業過程，突加負荷的大小和時間變化很大并且極不穩定。

這就要求發電機組能夠對負荷突加做出迅速反應，不能因負荷突加而跳機，否則影響鉆井作業的安全。同時，其他工序階段負荷可能長時間處于較低水平，發電機組需要在一定時間內運行在低負荷狀態下。

下圖是某鉆井過程的示意圖，主要是顯示各個過程的大致功率變化情況，不包含地質等原因導致的負荷突變情況。在實際情況中，每道工序時間不一樣，且每道工序里的負荷也是波動的，這里未對細節進行顯示。

4 發電機組性能曲線

發電機組在負荷突然增加或減少時，輸出電壓和頻率會隨之變化。這種變化行為主要由機械和電氣屬性所決定。為了說明發電機組在負荷突變時的電壓和頻率特性，需要先確定發電機組的加載和減載能力。同時還需要考慮負載的疊加因素，以及伴生負載等。

發電機組的加載能力取決于發動機速度調節器，平均有效壓力BMEP，渦輪增壓器的動態特性，燃氣調節特性，以及發電機AVR的設定。同時，發電機組的轉動慣量也有一定影響。

由于上述諸多影響因素的功能疊加的影響無法量化，因此需要以最大允許的電壓降和頻率降作為指標，給出推薦的加載平均值。

ISO8528-5將內燃機的孤島運行設計性能分為G1-G4四個級別，規定了各自的指標極限值。

發電機組廠家一般會提供功率加載和減載曲線圖，下面的示意圖顯示了在規定的電壓和頻率限值以內，機組能夠加載的最大值。橫軸顯示當前負荷率，縱軸顯示加載負荷率。例如，G2等級在圖上對應的加載率是20%，也就是說單步突加負荷在20%以內時，電壓或頻率波動不會超過G2限值。

由于鉆機的主要負荷是由交流變頻電動機驅動，因此需要綜合考慮交流變頻電動機的電壓和頻率允許波動范圍。如果超出，則鉆機無法正常工作。所以燃氣發電機組在鉆機上應用的主要難點還是在于負荷變化難以控制，無法確保負荷變化在發電機組所要求的范圍內。

5 解決方案

如前面所說，鉆機的負荷特性比較復雜。為保證鉆井安全，要求發電機組在工作過程當中不能停機。這就必須使發電機組能夠適應各種工況，尤其是極端情況。增大發電機組的數量雖然可以抵御更大的負荷沖擊，但是并不經濟。而發電機組自身的負荷特性不足以滿足井場惡劣的負荷變化情況，這樣一來，就需要使用外接附屬設備減少對發電機組的沖擊。當前解決方案主要有如下兩種。

1）負載箱

負載箱(Loadbank)是一系列電阻性負載組成的電氣設備，一般可以單臺使用或者自由組合，容量靈活。在鉆井電機上的應用上，負載箱可以作為一部分基礎負荷，一方面在鉆井負荷低時可以穩定發電機組的運行，另一方面，在鉆井負荷突然增大時，能夠通過迅速甩開負載箱，以減少發電機組的沖擊負荷。

負載箱的缺點是，工作時它通常作為基礎負荷消耗發電機組的電能，是耗能且不經濟的。并且它無法增大發電機組的總帶載能力，只能解決發電機組容量以內的瞬時負荷沖擊問題。

2）電池儲能

電池儲能系統可以與發電機組并列運行，其作用是在負荷高時輸出電能。電池在充滿電的情況下，如果遇到突加負荷超過發電機的承受能力，電池可以迅速放電，作為補充電源，減少發電機組的沖擊，緩解電壓和頻率的波動。電池的選型和容量大小根據鉆機的需求，電池的特性以及井場的條件等綜合因素而定。

電池儲能的優點時，一方面可以通過放電加大發電機組的總帶載能力和瞬時負荷沖擊能力，另一方面，它不是耗能設備，從節能角度來說是經濟的。

國內已經有使用燃氣發電機組和電池儲能系統相結合應用于鉆機的案例，使用結果表明該系統是有效的。在某鉆機系統中，采用3臺顏巴赫J320（其中1臺為備用）燃氣發電機組，每臺輸出功率約1MW，電池儲能容量約1.2MVA。經過實際驗證，該系統帶載性能優異，完全滿足現場需求。

6.總結

負載箱和電池儲能兩種方式比較而言，技術上均可以滿足井場的負荷突變需求。前者成本低，技術成熟，但是能耗大；后者基本不耗能，但是成本高，系統和維護工作相對復雜。

燃氣發電機組在油田鉆機上的應用盡管目前還處于初期發展階段，長期來看有望逐步替代傳統的柴油發電機組。從經濟性的角度，其與柴油機的比較取決于燃料價格等因素。從環保的角度，燃氣發電機組氮氧化物的排放比柴油機低，與我國未來實現“碳中和”的目標不謀而合。