谢 猛，张树立

（1.烟台杰瑞石油服务集团股份有限公司，山东 烟台 264003；2.烟台杰瑞石油装备技术有限公司，山东 烟台 264003）

随着油价的不断提高，降低发动机的运行成本成为目前行业研究的重要课题。油气田压裂设备是油气田增产措施中的重要设备，其在致密气、页岩气压裂作业时设备相对固定时间长、工作时间长、功率消耗大、燃油消耗高，降低作业成本成为了一个重要的要求。近两年随着电驱动压裂设备的开发与推广，有了比较明显的节能效果。但对于现存的柴油机驱动的压裂设备，特别是对于用于页岩气压裂作业的柴油机驱动的压裂设备来讲，如何降低燃料成本对于施工方来讲是一个重要的课题。天然气是比较经济的能源，而且页岩气的井场气源比较充足，但如果采用天然气发动机对于压裂设备来讲面临较大的困难，一是天然气发动机较相同功率的柴油发动机的采购成本高，二是压裂设备特别是车载设备受到车辆载荷的限制，天然气发动机较相同功率的柴油发动机体积大、重量重，不适合在压裂设备上应用。所以对于现有的柴油机驱动的压裂设备，采用何种方案来降低燃料成本？出租车油改气已经是大家非常了解的了，这种点燃方式的汽油机改为CNG燃料比较简单，但对于柴油机来讲就需要研究新的燃料替代方案。美国Altronic公司于20世纪60～70年代就开始推出的一种主要针对重型柴油机的GTI双燃料改造系统，在不改变柴油机原有构造的情况下，实现天然气替代柴油做燃料。而且国内也对柴油机双燃料系统进行了研究和开发，并在中小型发电机组、重型卡车、石油钻机动力等领域有所应用。

1 GTI双燃料系统技术介绍

1.1 GTI双燃料系统的组成和工作原理

GTI双燃料系统组成包括一套燃气管路与混合系统和一套控制系统。燃气管路与混合系统包括过滤精度50 um的燃气过滤器、调节燃气压力的调节阀、控制燃气的电磁开关阀、调节燃气量的功率阀和空气/燃气的混合器。控制系统通过各个传感器的检测实现对进气歧管的压力和温度、发动机的真空度、尾气排放的温度、发动机的爆震以及供气压力的控制与监控，并能实现数据通讯。

发动机的启动是依靠柴油启动的。随着发动机转速的升高，涡轮增压器参与工作，涡轮增压器之前的压力低于大气压，GTI控制系统各传感器检测发动机各个运行参数。当达到工作条件时，GTI系统混合器内的甲烷气体和空气一起被吸入增压器进入气缸参与燃烧，来替代一部分柴油。GTI系统的燃气压力调节阀将甲烷气体压力进行调压处理，保持零压，由燃气功率阀严格控制混合的比例不超过3%，低于甲烷的自燃爆炸5%～15%的浓度，有效防止柴油机“飞车”和无法熄火，属于完全被动式工作。发动机停止工作时，开关阀关闭，甲烷气体不会被吸入发动机。当没有气源时，可以关闭GTI系统，发动机只在柴油模式下工作。

甲烷气体的爆炸极限浓度在5%～15%，由于GTI混合器的特殊结构，保证掺入的甲烷气体不会超过3%，所以所能替代柴油的消耗量最多为70%，并且只会提高不会降低柴油机的使用性能。

1.2 GTI双燃料系统的特点

GTI 双燃料系统具有以下主要特点：

①专门为重载柴油机设计，不仅适合持续运转工况，也适合间歇工作工况；②不对柴油机本体进行改动，只在柴油机的空气滤清器和涡轮增压器之间加装混合器；③加装GTI系统后，保持原柴油机的输出功率不变；④被动吸入式工作，对燃气压力要求不高，1-5Psig即可满足要求；⑤不对柴油机本体进行改动，改造成本低，改造以后，可以降低运行成本；⑥改造后减少柴油燃烧量，减少积碳和颗粒的产生，减少对缸套、活塞环的磨损，降低维护成本；⑦系统可以自动在柴油模式/双燃料模式之间切换，能够适应不稳定的燃气供应；⑧完善的控制和监控系统，并可通过RS232/485 接入柴油机原有的监控系统。

1.3 可燃气体适用性

经过试验和实际应用证明，GTI 双燃料技术可以适合多种气体，包括井口天然气、油井伴生气、压缩天然气（CNG）、液化天然气（LNG）、煤层气、生物气等气体燃料，这些气体进行过滤、脱水、脱硫和去除杂质等预处理即可使用。

2 GTI双燃料系统在页岩气压裂设备上的应用

2.1 GTI双燃料在页岩气压裂设备应用实例

GTI双燃料系统在国外已经有较多的应用，包括知名的油田服务斯伦贝谢、贝克休斯的钻井动力、发电机组等，在国内的钻机发电机组上也有少量的改造应用。烟台杰瑞石油装备技术有限公司早在2012年就开始对GTI双燃料在压裂机组上的应用进行研究，2015年首次将该技术应用到中国制造的2000型压裂设备上。该压裂设备的柴油发动机为MTU-DDC 12V4000，GTI双燃料系统安装如图2所示。经在厂内测试最大的燃油替代率能够达到70%，发动机能够在效率、稳定性、负荷响应能力等方面和原发动机相同的性能。发动机可以在全柴油模式和双燃料模式之间顺利相互切换，并且维持转速和输出功率不变，使用效果良好。之后又对一套10台压裂机组进行了GTI双燃料系统进行了安装应用与测试，测试照片如图3所示。并将该套压裂机组成功出口美国。

图2 GTI双燃料系统在压裂设备上的安装照片

图3 装有GTI双燃料系统的2000型压裂机组测试

2.2 GTI双燃料改造的综合效益

GTI 双燃料改造技术主要是通过减少柴油的使用量来降低运行成本，带来可观的经济效益的同时，双燃料改造也将会给客户带来其他的效益：

（1）减少柴油使用量，降低运行燃料成本。以上述2000型压裂橇组为例，发动机功率为1680 kW（2 250 hp），发动机的燃油消耗率为0.202 kg/kW·h，按照平均功率1 343 kW（1 800 hp），每年工作2 000 h，按照目前油价时期0#柴油8元/kg计算则运行一年的柴油成本为：

1 343 kW×0.202 kg/kW·h×8.0RMB/kg×2 000 h≈434万元

经过GTI 双燃料技术改造之后，按照最大70%的天然气替代量，天然气平均单价按照4.5 元/m3计算，发动机的总排量为48.7 L，进气压力为2.5大气压 ，按照进气中3%的天然气，每千瓦小时消耗的天然气量为：48.7 L×0.03×2.5×1 900/2×60×60/1680=744 L

总的燃料成本为：

柴油成本：343×0.3≈103万元

天然气成本：1 343 kW×0.7×0.744 m3/kWh x 2000 x 4.5元/m3≈63万元

总成本为：103+63=166万元

节约成本：434-166=268万元

一台12V4000 柴油发动机的改造成本按照40万元计算，大概两个月可回收投资成本。按照页岩气工厂化压裂的规模，平均每套机组16台2000型压裂设备作业，一年可节省燃油费用4288万元，如果使用井口气，加上预处理费用的平均价格在1元/m3左右，则经济效益更加可观。

（2）减少废气排放，清洁环保。发动机经过GTI双燃料系统改造之后，排放废气中的有害物质大大减少，从测试得到的双燃料发动机排放指标图如图4中可以看出，氮氧化合物减少15%～30%，碳氢化合物减少20%～80%，硫氧化合物减少50%～70%，颗粒物（PM）减少20%～50%，排气烟度（OPACITY）减少30%～50%，非常有利于环境的保护。

图4 双燃料发动机排放指标图

（3）适应不稳定燃气供应。GTI系统有较强的气体兼容性，多种气体可以供应以满足使用，只要根据不同的气体经过简单的预处理通过调节燃气功率阀即可满足使用。另外GTI系统的天然气压力较低，只需1～5psig即可，不需要高压管线，比较安全，管线成本较低。

（4）减少发动机维护，延长发动机使用寿命。燃烧部分天然气，减少柴油燃烧量，有效减少积碳和颗粒的产生，减少对发动机缸套、活塞环的磨损，延长大修周期和机油更换周期，延长发动机的使用寿命，维护成本低，从而降低压裂作业的成本。

（5）与纯天然气发动机相比，使用GTI双燃料系统改造柴油机具有初期成本更低、能适应不稳定燃气、效率更高、减小体积和重量、减少操作和维护成本等优点。

2.3 使用的主要事项

（1）严格控制天然气的添加量，防止发动机爆震。甲烷的自燃爆炸浓度5%～15%，所以发动机吸入天然气和空气的混合的比例要严格限制不超过3%，防止发动机爆震，以免造成柴油机“飞车”事故。

（2）做好天然气的前处理。特别是使用井口气作为气源时，做好脱水和除杂质，防止管路堵塞造成供气不畅，还要做好脱硫处理，防止硫进入发动机气缸燃烧产生的硫化物对发动机的腐蚀。

3 GTI双燃料系统在页岩气压裂设备上的应用前景

在美国，GTI系统也正迅速被应用于页岩气压裂作业。由于页岩气压裂每隔80 m左右的距离就要压裂一次，持续多处压裂，产生的气体经处理可以给GTI双燃料系统供气，并且输送管道也不需要高压，基本与家中天然气胶管的压力相当，管线成本也低，适合给压裂车供气，延长大修周期和机油更换周期，降低压裂成本也是十分可观的。

我国页岩气储量丰富，开发前景非常可观，配备GTI双燃料系统的压裂设备具有更加环保、节能、安全、低成本、延长发动机寿命等特点，对于页岩气开发压裂作业有较大的经济价值，在我国页岩气开发上具有非常好的应用前景。