“柴油设备环保节能工作系统” 实现高凝点柴油替代低凝点柴油安全性分析
赵 殿 福
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由于柴油机具有油耗低，扭矩大，提速比汽油机快，安全、节能、环保等特点，欧洲柴油轿车保有率占总量的60%。石油生产中钻井工程施工所需的动力多是由柴油做燃料做功的各类如发动机、发电机等柴油动力设备（以下称动力设备）提供。钻井工程施工柴油消耗占钻井施工总成本10%以上。但因为柴油性质的原因，在气温骤降时正在运行的动力设备可能因环境温度低于正在使用的柴油凝点一定温度（即低于柴油滤点，柴油冷滤点是指柴油试样在规定条件下冷却，在1961Pa（200mm水柱）压力下抽吸，使冷却的柴油试样通过一个363目的过滤器，测定过滤器被堵塞至不能通过或者流量小于20ml/min时的最低温度。该温度越低，柴油在低温下使用流动性越好，越不易堵塞过滤器）柴油结腊而影响动力设备的连续正常运行，甚至造成停机检修的情况。虽然可以通过使用适合环境温度的低凝点柴油解决动力设备受柴油结腊影响运行的问题，但由于环境温度变化不可控的客观事实，可能因换油时间太早不仅使成本增高，而且造成产量较低的低凝点柴油浪费。换油时间晚于环境温度变化的时间又可能造成柴油结腊影响动力设备的连续运行甚至停车检修的情况发生，不能满足动力设备连续安全提供生产所需动力的要求，影响整个施工的进度，甚至可能发生后果严重的次生事故。因此，保证动力设备在低温环境下使用高凝点柴油正常连续运行，是实现低温环境下高凝点柴油替代低凝点柴油做动力设备的燃料基本要求。
盘锦兴工晟顺实业有限公司研究开发的专利产品“柴油设备环保节能工作系统”（以下称“工作系统”，专利号：201720452892.8）采用现场蒸汽加热人工干预改变高凝点柴油流动性的方式实现了低温环境下动力设备使用高凝点柴油连续正常运行，安全可靠提供动力的要求。
使用“工作系统”能够保障动力设备的安全运行，我们可以从动力设备的工作原理、柴油的性质对其燃烧做功的影响现场应用等方面找出依据。
一、从动力设备工作原理分析“工作系统”安全性
从动力设备工作原理知道，动力设备做功所需能量主要是在第
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二和三冲程产生。第二和三冲程工作的过程中气缸内的气体压缩形成温度高于柴油燃点的高温高压气体、当柴油喷入气缸被高温高压气体引燃并与已经存在的的高温高压气体在柴油发火延迟期后进行燃烧，在气缸内形成新的高温高压气体推动活塞运动完成的。整个过程中柴油进入气缸与缸内气体燃烧做功进行了一系列的物理化学变化。
资料显示柴油的粘度、蒸发性等物理化学性质影响柴油喷入气缸的数量。
柴油的蒸发性差，使动力设备缸体内的混合气体的物理和化学变化的准备时间加长，使着火延迟期增长，着火延迟期增长，使喷入动力设备气缸的柴油量增多，着火前形成的混合气中柴油的的数量就多，着火燃烧时就会与缸内的空气量不匹配造成燃烧不完全，甚至会出现因过量柴油参与燃烧，造成缸内压力剧增，形成强烈的震击作用，冲击动力设备的曲柄连杆机构，加速零件的磨损并且使动力设备再次启动困难。
柴油的凝点（油品在规定的试验条件下，被冷却的试样油面不再移动时的最高温度）是由其烃组成所决定的。烷烃量越高相对分子量越大，凝点越高。十六烷值低的柴油的要比十六烷值高的柴油的蒸发性好，也就是说高凝点柴油比低凝点柴油的蒸发性好。
因此说，使用高凝点柴油比使用低凝点柴油对动力设备的伤害要小，更利于的动力设备安全平稳运行。
二、从柴油的加热温度设定和历史资料等方面分析“工作系统”的安全性
根据资料“根据实验和扩散模拟计算，拱顶罐操作温度以控制在40℃以下，”“工作系统”目前以动力设备低温环境下能正常使用0号柴油替代低凝点柴油进行设计，综合考虑柴油的性质将油罐温度范围确定在10～30℃之间，加热介质为蒸汽。原因如下：一是0号柴油温度在4℃以上时动力设备就能够使用。二是0号柴油的闭口闪点为55℃，石油产品在闪点温度时将火焰靠近油蒸汽和空气组成的混合物才发生闪火。三是由于在闪点温度下，油蒸发速度慢的
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缘故。这时油蒸气混合物很快烧完，还来不及蒸发出一批燃烧所必须的新蒸汽，于是燃烧也就停止。在闪点温度下，只能使油蒸汽与空气所组成的混合物燃烧，而不能使液体油品燃烧。四是除汽油外，所有其它油品在室温（一般为25℃无国家标准明确规定）条件下，不能形成爆炸混合物所需的蒸汽浓度，必须对油品加热才引起闪火。五是根据统一的测定条件测定结果分类，柴油属于不易挥发的石油产品类。由于其馏分重，不易蒸发，自燃温度约为816.15～836.15℃，引燃温度257℃，在储存、运输和使用过程中一般不易引起燃烧和爆炸。六是控制轻柴油储罐的操作温度是防止火灾、爆炸的关键，资料显示“根据实验和扩散模拟计算，拱顶罐操作温度宜控制在40℃以下”。七是无资料显示在辽河区域柴油罐发生因夏季高温超过35℃发生爆炸或自燃的情况，即使是新疆沙漠地区也未找到相关的报道。
三、从加热方式看“工作系统”的安全性
“工作系统”采用蒸汽加热的方式，人工干预高凝点柴油的流动性实现了动力设备低温环境下使用高凝点柴油连续正常运行。目前钻井冬季施工现场配备的维持生产必要的油气水管路不冻结的蒸汽锅炉可以在油气水管路不冻结的情况下，短时间停止对生产必要的油气水管路加热。资料表明在一定温度下，0号柴油平均每小时温度下降0.6℃～1.01℃，-10号柴油平均每小时温度下降0.14℃～0.27℃，由于柴油储罐进行了保温，因此油罐保温时间完全能够满足在不锅炉功率增加和燃料消耗情况下，油罐与其他油气水管路实行错峰加热实现人工干预高凝点柴油的流动性实现了动力设备低温环境下使用高凝点柴油连续正常运行。
柴油的爆炸下限混合气体中油气体积含量为0.6%，爆炸上限混合气体中油气体积含量为6.5%。如果柴油蒸气在空气中的含量在上述范围内，那么遇到大于或等于0.2mJ能量的明火是，就会发生爆炸，如果混合气体的浓度超出上述范围，遇点火不会发生爆炸。也就是说，柴油蒸气爆炸必须有明火存在。“工作系统”虽然加热介质蒸汽的温度可达170℃，但蒸汽相对温度仍远远低于柴油的沸点温度（约为282～338℃）和自燃温度（约为816.15～836.15℃），不仅柴油不会产生大量蒸气，而且是无明火的水蒸汽加热，因此不会
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引起自燃或爆炸。
蒸汽管线布置进口高于出口利于冷凝水的排放，并在油罐最低处方便位置设有冷凝水排放口，操作规范明确要求停止加热后要打开冷凝水排放口排空，防止冻堵。
四、从 “工作系统”的监控设置分析其安全性
油罐设有液位计、指针式温度计、防爆声光温度自动报警器、防爆阻火呼吸阀等安全设置。电机、照明、配电箱等电器设备均采用防爆设计，目视化安全提示等。
五、动力设备的启动、停用、应急看等方面分析“工作系统”的安全性
由于动力设备刚启动时机体温度不能满足0号柴油的使用温度，可以使用“工作系统”的低凝点柴油罐中的低凝点柴油进行启动，待机体温度满足0号柴油运行温度时，打开0号柴油阀门，向动力设备供应加热后的0号柴油，同时关闭低凝点柴油阀门。柴油设备停机时将低凝点柴油阀门打开，关闭0号柴油阀门，运行一定时间后停机。一旦发现加热部分出现问题可以立即关闭用高凝点柴油倒换使用低凝点柴油，保证连续运行，
六、从达标排放看“工作系统”
十六烷值高的柴油的粘度要比十六烷值低的柴油要高，也就是说高凝点柴油比低凝点柴油的粘度低。柴油的粘度越低，其雾化性越好，雾化的越好，燃烧越充分，排放的炭黑等废弃物越少，越有利于环保。
七、使用情况分析
“工作系统”能够安全可靠保证动力设备低温环境下使用高凝点柴油连续正常运行2017年2月～3月，2017年～2018年度冬季已经过长城钻探工程有限公司钻井二公司和三公司三台不同型号钻机使用的验证。
某队于2017年2月12日2017年3月14日连续使用正常。 某队于2017年11月26日开始使用至今一切正常，使用期间当地连续低温，最低温度达到-27℃。
某队于2018年1月26日开始使用至今一切正常
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四、结论
通过以上分析表明“工作系统”能够满足使用安全需要，但排放效果应由相应的专业机构进一步测定，得出专业性的结论。
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