摘 要：天然气发动机以其功率大、动力性好等优势被广泛应用在国内外多个领域，具有十分广阔的发展前景。在介绍天然气发动机组成结构及工作原理的基础上，对天然气发动机的应用现状进行综述，重点论述天然气发动机在驱动离心泵方面的优势，指出天然气发动机驱动离心泵技术在我国长输管道上应用的技术难点，为天然气发动机驱泵技术的后续研究提供了一定的参考。

关 键 词：天然气发动机；应用；驱泵；进展

中图分类号：U 262 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1595-03

Application and Research Progress of Natural Gas Engine

SHAO Qi1，WANG Ning1，YAN Li-he2

（1. China University of Petroleum（Beijing）， Beijing 102249， China；

2. China National Aviation Fuel Co.，Ltd. Hebei Branch，Hebei Shijiazhuang 050802， China）

Abstract： With large power and good power performance advantages， natural gas engine is widely used in many areas at home and abroad， it has the very broad development prospect. In this paper， the composition structure and working principle of gas engine were introduced， the current application of natural gas engine were reviewed， its advantages in driving centrifugal pump were mainly discussed， facing difficulties of application of the gas engine driving centrifugal pump technology for long distance transmission pipeline in China were pointed out. This paper can provide some theory references to further research on natural gas engine driving pump technology.

Key words： Natural gas engine； Application； Driving pump； Progress

在石油领域，原油、成品油长距离输送管道和油库以及油田地面工程中常用设备的驱动机有电动机、柴油机、燃气轮机和蒸汽轮机等原动机。根据能量的转换形式可将原动机分为：热力发动机（热能转换成机械能）和电力发动机（电能转换成机械能），其中热力发动机根据燃料所在位置的不同又可以分为内燃机和外燃机，天然气发动机属于内燃机的一种。天然气发动机以其功率大、动力性好等优势被广泛应用在国内外多个领域，具有十分广阔的发展前景。

1 天然气发动机的主要结构

1.1 天然气发动机的系统组成

天然气发动机由九大系统组成，分别是：进/排气系统、自控系统、配电系统、燃料气减压系统、压缩空气系统、水处理系统、润滑油系统、水冷系统、空气预热系统。

1.2 天然气发动机的控制模块

天然气发动机主要由两个控制模块组成：电子控制模块（ECM）和集成燃烧传感模块（ICSM）。

1.2.1 电子控制模块（ECM：Electricity Control Module）

发动机电子控制模块（ECM）相当于天然气发动机的“中央司令部”，发动机的大部分功能都由其控制。该模块固定在发动机侧面的接线盒内是一个密封装置。ECM 能够监控传感器的各种输出，在达到相应条件时，可以激发继电器、线圈等部件的工作。

ECM的主要功能有[1]：

（1）监控发动机实际转速；

（2）调节燃料和空气的进气/排气旁通阀；

（3）操作燃料执行器使燃料进入燃气汇管；

（4）操作阻风门执行器使空气进入进气汇管；

（5）可确定要求保持正确空燃比的气压；

（6）ECM发送脉冲信号刺激变压器升压；

（7）向ICSM发送要求的排气口温度图；

（8）向ICSM发送要求的燃烧时间图；

（9）控制点火正时、监控载荷的变化。

1.2.2 集成燃烧传感模块（ICSM：Integrated Combustion Sense Module）

天然气发动机每排气缸的外侧各有一个ICSM。在每个气缸的排气口处均有一个热电偶，这个热电偶由ICSM负责监测。

ICSM的主要功能有[1]：

（1）监测每排气缸排气口处气体的实际温度，从而计算出每排气缸排气口的平均温度。

具体而言，ICSM计算得到排气口的平均温度后，与ECM发送过来的要求达到的排气温度进行比较。ICSM计算出二者之间的差异，随后向ECM传送差异信息和修改信号。ECM根据修改信号智能的调节阻风门执行器，从而达到要求的排气口温度。

（2）ICSM可以计算出相对应一侧所有气缸的平均燃烧时间。

具体而言，ICSM计算得到对应侧的气缸平均燃烧时间后，与ECM发送过来的要求的燃烧时间进行比较。ICSM计算出二者之间的差异，随后向ECM传送一个差异信息和修改信号。ECM 根据修改信号智能的调节控制排气旁通执行器，从而保证要求的燃烧时间。

2 天然气发动机工作原理

2.1 气缸的四个行程

天然气发动机的气缸有四个行程，分别为吸气、压缩、做功、排气。这与柴油发动机相同。

2.1.1 进气行程

活塞从上止点移动到下止点，此时进气阀门打开，排气阀门关闭。

2.1.2 压缩行程

活塞由下止点移动到上止点，期间进气阀和排气阀都处于关闭状态。

2.1.3 做功行程

活塞从上止点移动到下止点，期间进气阀和排气阀仍处于关闭状态。

2.1.4 排气行程

活塞从下止点移动到上止点，在此期间排气阀打开，进气阀关闭。

2.2 发动机的做功原理

为了便于说明，将天然气发动机与柴油发动机的做功原理进行比较。

2.2.1 天然气发动机与柴油发动机做功的相同点

天然气发动机与柴油发动机均经历了活塞上下往复运动各两次的四个行程后，完成了一个工作循环。燃料在气缸里面燃烧膨胀，推动活塞在气缸里上下滑动驱动曲轴转动，曲轴依靠飞轮转动的惯性作用继续旋转，周期性地重复上述各个过程，使发动机不断运转，输出旋转机械能，从而输出功率。

2.2.2 天然气发动机与柴油发动机做功的不同点

在做功行程阶段，燃料和空气的混合物在气缸内部等待燃烧释放能量，柴油发动机采用的是压燃的方式对燃料混合物进行燃烧，而天然气发动机由于其燃料的自燃点要高于柴油，不易控制，难以压燃[2]，故采用火花塞点燃燃料混合物的方式做功。

3 天然气发动机在国内外的应用现状

3.1 应用天然气发动机驱动车辆

天然气发动机驱动车辆这一技术的发展过程大致分为三个阶段[3]：

（1）第一阶段（20世纪60年代以前）：以气代油节约能源；

（2）第二阶段（20世纪60年代以后到90年代初）：解决尾气污染问题；

（3）第三阶段（20世纪90年代以后）：闭环控制。

燃料供给方式的不同是天然气发动机与常规发动机的主要差异，有三种燃料供给方式的天然气发动机：

（1）单燃料发动机；

（2）双燃料发动机；

（3）两用燃料发动机。

3.2 应用天然气发动机发电

小型天然气发动机可实现热电联产，有效地提供热能和电能，总能利用率可达到85%甚至更高[4]，这对提高能源利用率具有极为重要的意义。

3.3 应用天然气发动机钻井

由济柴自主设计开发的天然气发动机满足了钻井平台所需动力的要求[5]，天然气发动机曾在中原油区的钻井现场投入使用[6]，为减少发动机由于故障而失去动力的概率，采用发动机并联运行的方式为钻井提供动力，从而提高动力系统的可靠性。经实验测试，天然气发动机运行平稳，与柴油机相比，既节省了费用支出，又减少了碳的排放，做到了节能减排，低碳环保。

3.4 应用天然气发动机驱动制冷机组

采用天然气发动机代替电动机直接驱动制冷压缩机，制冷效果明显。

天然气发动机驱动制冷机的特点[7]：

（1）较高的部分负荷运行特性；

（2）一次能源利用率高；

（3）结构紧凑和运行安全可靠；

（4）便于与其他空调系统组合使用；

（5）减少了硫化物、二氧化碳的排放，有利于环境保护。

秦朝葵[8]等利用改装的天然气发动机和活塞式冷水机组进行实验，实验结果表明：与电动冷水机组相比，天然气发动机驱动的制冷机组具有较好的部分负荷特性。该实验的创新之处是采用发动机转速与压缩机卸缸相结合的能量调节方法， 对其制冷性能进行了实验测试与分析， 从而实现分段的连续能量调节。

3.5 应用天然气发动机驱动往复式压缩机

目前，国内长输管道上主要应用天然气发动机驱动往复压缩机。由于天然气发动机驱动往复压缩机组的启动受环境温度、空气和燃料气的温度、洁净程度、干燥程度及压缩机组负荷、调试等因素的影响，使得天然气发动机驱动往复压缩机组时存在启动困难的情况。这时如果有故障码，可以根据故障码进行有针对性的排查和调试；如果没有故障码，则可以从以下几个方面进行检查[9]：

（1）降低压缩机组启动负荷；

（2）检查启动系统；

（3）燃料气气路检查。

3.6 应用天然气发动机驱动原油管道离心泵

到目前为止，我国由于存在技术问题尚未将天然气发动机驱泵技术应用于原油管道上，国外有几条原油管道已经将天然气发动机成功的应用在驱动离心泵运行上。例如，2005年投产的巴库-第比利斯-杰伊汉原油管道（BTC管道）[10]，耗资37亿美元，全长1 768 km，年输量：5 000万t/a，沿途共8座泵站（其中2座泵站位于阿塞拜疆，2座泵站位于格鲁吉亚，4座泵站位于土耳其），位于土耳其境内的4座泵站，均采用天然气发动机驱泵运行。

4 天然气发动机驱泵技术的应用前景

4.1 天然气发动机的特点

（1）抗爆性能好。甲烷的辛烷值为130。

（2）环境污染小。甲烷含氢量高，同样释放单位能量二氧化碳时排放量比汽油少30%以上[11]。

（3）安全性高。天然气在空气中的自燃点高于汽油，故天然气发动机的安全性高于汽油发动机。

（4）着火极限宽。天然气燃烧时，其燃烧温度低，且火焰传播速度较慢，在一定程度上能抑制缸内氮氧化物的生成[12]。

（5）发动机使用寿命长，经济性好。天然气与传统原料相比对发动机润滑油的破坏较小，减少发动机的磨损，从而节约费用[13]。

4.2 天然气发动机驱泵的优越性

往复式发动机分为：天然气发动机、液态燃料发动机、双燃料发动机和混合燃料发动机等。往复式发动机工作效率相对较高且易于现场维护，其输出功率受海拔和环境温度等因素的影响较小。因此，在驱动管道输油泵的应用上，往复式发动机要比燃气轮机更具优势[14]。

目前我国原油、成品油长距离输送管道和油库以及油田地面工程中应用较多的离心泵驱动机有电动机（具体的说，是三相异步电动机）、柴油机。

在外部电压不稳定或电力供应不足的地区，使用电力发动机驱泵是不经济的，也是不明智的。而此时，非电力发动机就体现了它绝对的优势。根据不同地区的实际情况，选择合适的发动机与泵进行匹配，实现转速可调从而改变泵的特性，对输油管道的运行具有重大而深远的意义。

与柴油机相比，同是非电力式发动机的天然气发动机以其热效率高、动力性能好、排放污染小等优势，则更被人们所看好，具有非常广阔的发展前景。

5 天然气发动机驱泵的技术难点

与其他发动机相比天然气发动机用于驱泵有一定的优势，目前国外已有多条原油管道应用天然气发动机驱动离心泵的运行，但是由于存在一些技术问题，在我国未见天然气发动机驱泵技术在长输管道上得以应用，这些关键技术问题概括起来主要有：

（1）由于天然气发动机启动时间较长，有待于对泵机组的匹配时间和逻辑控制程序进行优化，从而缩短操作时间，提高工作效率；

（2）在不同的输量下，天然气发动机需与离心泵的运行模式进行合理匹配，保证泵机组安全可靠的运行，完成输油任务；

（3）在遇到异常工况时，需对泵机组及时进行调节和切换，必要时做紧急停输处理，天然气发动机应对突发事件的处理能力是保证安全生产的关键。

6 结束语

天然气发动机以其安全、清洁、动力性能好等多方面的优势已经在国内外被广泛应用于驱动大型动力设备、流体机械上，其中包括在交通领域作为大中小型车辆的驱动机，石油领域作为钻井平台油气管道的原动机等。目前国外已经有多条原油管道已经采用天然气发动机驱动离心泵运行，但在我国由于存在尚未解决的技术难点而使天然气发动机驱泵技术没有切实地得以应用，本文为天然气发动机驱泵技术的后续研究提供了参考。（下转第1601页）