CN105240242A - 天然气v型引擎压缩机的组合式缸头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于低压天然气、页岩气、煤层气开采中的V型引擎压缩采输机，包括动力部分和压缩部分，所述动力部分包括进气门，排气门，火花塞，排气管，动力活塞，动力连杆；所述压缩部分包括压缩缸头组件，压缩活塞，压缩连杆，所述动力连杆和压缩连杆分别连接到曲轴上，所述动力部分与所述压缩部分呈V字形对称布置，述压缩缸头组件为组合式压缩缸头，多个压缩缸分别具有独立进气管口，但共用一个排气口。本发明的V型八缸引擎压缩采输机组从解决了低压天然气、页岩气、煤层气的开采技术难题，并能有效地降低其开采成本和提高其经济效益；本发明是涉及页岩气开采领域能否解决技术和成本的关键性装备，大幅度提高气体的采集量和采收率。

Description

天然气V型引擎压缩机的组合式缸头

技术领域

本发明涉及一种天然气采输机，属于石油天然气采输设备，尤其是涉及一种应用在低压天然气、页岩气、煤层气开采中的天然气V型引擎压缩机的组合式缸头。

背景技术

天然气主要储存在油田气、气田气、煤层气以及生物生成气中，天然气可分为伴生气和非伴生气两种。目前由于没有相应技术措施和设备，有些天然气往往出于安全目的将其作火炬气排空燃烧，这样既浪费能源又污染环境。对于压力低、特别是边远气田的天然气，虽然量较小但多口井集汇后，用天然气螺杆压缩机增压再送入附近管网，或者将多台机组回收的气体送入集中处理站，从整个气田范围来说，其节能减排效应是十分明显的。

目前少数天然气回收采用活塞式压缩机，活塞压缩机结构复杂，价格昂贵，易损件多，维护工作量大，其可靠性低是用户最不满意之处。同时，目前的我国低压天然气、页岩气、煤层气的开采都存在不同程度的问题，迫切需要对技术进行革新，以提升我国的能源开采水平，主要表现在以下方面：1、低压天然气的开采与存在的问题：低压天然气是常规天然气井在开发后期的残留天然气，或者是三低(低渗透、低压力、低气量)性质的气田天然气，其井口压力一般低于0.8MPa，单井气量就几千标方/天左右；其开采属性和存在的问题是如何经济有效地压缩采输出小流量的低压天然气，当达到一定采收率后就可封井和调出采输设备到其他气井；2、页岩气的开采与存在的问题：页岩气是将地下疏松页岩气层进行人为压裂后，释放出来的天然气，简称为页岩气。现行开采方法为：从地面垂直下钻至页岩层(中国页岩层深约2000—2600米，北美深约1600—2000米)，再水平多条横钻1000米，之后分段桥塞压裂页岩气层，使其内储的天然气在压裂支撑通道内，汇入石油导管后进入地面管网并外输。页岩是一种层状的松脆沉积岩，其空隙内游离或吸附有天然气；其开采属性和存在的主要问题是如何把滞留在页岩层内稀薄的低压页岩气经济有效地压缩采输出来；3、煤层气的开采与存在的问题：煤层气是存储在地下煤矿内的瓦斯气(其主要成份也是天然气组分)，其钻探开采方法为：从地面钻至煤层后即可开采(低渗透煤层也需固井压裂后才能开采)。因煤层气与煤矿相伴，其开采初期的井口压力普遍低于0.5MPa<个别地区有例外>，并携带大量的粉尘；其开采属性和存在的问题是如何经济有效地干法或湿法除尘后，压缩采输出低压小流量的煤层气。

另外，鉴于以上低压天然气、页岩气、煤层气的开采属性，压缩采输设备是低压天然气开采不可缺少的增压采输设备，而目前现有的分体式电驱(或燃驱)增压机组和整体式二冲程增压机组，都无法解决以下问题：(1)动力问题：采输设备要不受工业动力电源的限制，自带压缩驱动动力；这是因为气井的地理位置和经济效率所决定，一般气井多处于无工业动力电源的地带，也会因采输设备在气井采完后的频繁搬迁，而无法满足的电网投资；(2)安全问题：气井场站属Ⅰ级D组Ⅱ区的防爆标准，其场站内的动力设备必须符合安全防爆的技术要求；而目前常用的燃驱发动机均不具备安全防爆功能，从而使故障率较高的燃驱分体式增压开采机组不具有安全可靠性；(3)搬移问题：采输设备在气井采净后需搬迁至新的井站投入新的生产运行，这就需要采输设备要不断地频繁移动和搬迁至新的井站；而现有技术中的二冲程整体式压缩机和燃驱分体式压缩机都因体积大、功率大、不防爆和不能快速搬迁的原因，难以实现页岩气开采的集装化、模块化、标准化和系统化；(4)工况问题：低压天然气、页岩气、煤层气的采输机组，一般来讲都是低排量小负荷，其功率N＝20—120KW，排气量Q＝0.2—3万标方之间；采输机组要具有变工况的能力，这是因为在低压天然气、页岩气、煤层气的开采过程中，其井口压力、气量和采输功率等参数，都将随天然气井能量衰减的变化而发生变化；(5)能效问题：根据国家环保政策的要求，能效低的采输设备属淘汰产品，如理论能效只有26％(实际平均能效不到18％)的二冲程整体式压缩机；按能效考核委员会的相关规定，动力能效达到35％以上的发动机才能推广应用，如实际能效>35％的四冲程工业发动机和实际能效>45％的涡扇发动机；(6)环保问题：随着国家环保政策的不断完善和更新，动力尾气排放的要求将越来越高，这就注定了二冲程这样燃烧不完全而产生大量污染排放的动力，将会被加速淘汰，而以电控精准燃烧做功的四冲程动力将会迅速推广使用。

发明内容

为了解决目前的技术缺陷，本发明提供了一种由V型引擎改造的压缩机。该压缩机具有降压吸入和增压排出的功能，可以将大量低压气体从地下矿层中开采出来，有利于大幅度提高气体的采集量和采收率。该压缩机为一种用于地下气体采集和外输的采输机，这些气体可以包括低压天然气、页岩气、煤层气。

具体而言，本发明提供了一种具有组合式缸头的天然气V型引擎压缩机，包括动力部分和压缩部分，所述动力部分包括进气门，排气门，火花塞，排气管，动力活塞，动力连杆；所述压缩部分包括压缩缸头组件，压缩活塞，压缩连杆，所述动力连杆和压缩连杆分别连接到曲轴上，所述动力部分与所述压缩部分呈V字形对称布置，所述压缩缸头组件为组合式压缩缸头，其具有多个压缩缸，所述多个压缩缸分别具有独立进气管口。

特别的，所述压缩缸头组件包括压缩缸头、气阀组件、气阀罩和气阀盖；压缩缸头上开有多个个阀孔，所述气阀组件包括气阀垫，进排一体板式同心阀，以及气阀上垫，将所述气阀组件装入每个缸头阀孔中，所述气阀罩设置在所述气阀上垫上，阀盖垫圈设置在所述气阀罩上，气阀盖设置在阀盖垫圈上，螺栓将上述气阀组件、阀罩、阀盖垫圈、阀盖紧固在所述缸头上；气阀盖上设置有气阀进气口，同时在压缩缸头的侧面开有排气口。

特别的，所述进排一体同心气阀由气阀阀座、内环进气阀片、外环排气阀片、气阀限制器和气阀螺柱，以及气阀弹簧和弹簧定位套所构成；内环进气阀片、外环排气阀片通过阀片定位销配置在阀座上，外环排气阀片与气阀限制器之间配置有气阀弹簧和弹簧定位套，气阀螺柱的第一端固定到气阀阀座上，另一端通过螺母将气阀限制器固定在内环进气阀片、外环排气阀片上，当机组的压缩活塞下行时，所述内环进气阀片打开，气体进入压缩缸，而此时的外环排气阀片闭合；当压缩活塞上行时，所述内环进气阀片关闭，当缸内气压上升到一定压力时，外环排气阀片打开，气体被排出压缩缸。

特别的，所述内环进气阀片对应的内环进气口位于所述气阀罩的内部，用于压缩气体的进入，所述外环排气阀片对应的外环排气口位于所述气阀罩的外部，用于压缩气体的排出，所述气阀罩与设置于所述缸头内部的高压通道连通，所述多个阀孔之间分别通过所述高压通道相互连通，且所述高压通道与设置在所述缸头上的排气口相连通，所述排气口处配置有排气口法兰和排气口法兰垫，采用螺栓和平垫圈将所述排气口法兰和排气口法兰垫固定到排气口上。

特别的，所述内环进气阀片对应的内环进气口位于所述气阀罩的内部，用于压缩气体的进入，所述外环排气阀片对应的外环排气口位于所述气阀罩的外部，用于压缩气体的排出；整体式压缩缸头的每一个气缸的侧面都设置有独立的排气口，每个气阀罩的外部都分别与对应的排气口连通，进行压缩气体的排出。

进一步的，本发明还提供了一种引擎压缩采输机系统，包括上述任意一项方案所述的具有组合式缸头的天然气V型引擎压缩机，还包括进气分离器、燃气除液稳压罐、空冷器、膨胀水箱、消音器和集装箱体，压缩机底座，以及阀门、管线和仪控；其中，进气分离器对所进气体进行重力分离，燃气除液稳压罐对动力燃料进行除液稳压，压缩引擎压缩采输机对气体进行降压吸入和增压排出，空冷器对压缩气体和循环冷却水进行空冷，集装箱体配置为降噪隔音和成撬集成。

进一步的，本发明还提供了一种操作如上述方案所述的引擎压缩采输机系统的方法，包括如下步骤：

步骤1，将采集到的低压页岩气首先通过阀管道进入重力式进气分离器，在所述进气分离器内的气液分离是靠气体上升和固液下降来进行分离；

步骤2，分离净化后的页岩气直接进入所述V型引擎采输机的压缩端，进入压缩缸内的低压页岩气被活塞压缩，其压力升高后被排出；

步骤3，被排出后的高压页岩气进入所述空冷器的空冷器管束进行冷却后外输；

步骤4，将步骤3输出的高压页岩气输送到燃气除液稳压罐进行除液和稳压后提供给所述V型引擎采输机的动力部分；即，将2.5-3.0Mpa的高压页岩气经第一次调压为0.8Mpa后进入所述燃气除液稳压罐，除液稳压后的燃气经第二次调压为10Kpa，再次稳压后平稳进入动力引擎的混合器与新鲜空气混合进缸燃烧做功；

步骤5，燃烧做功后的尾气经夹套冷却，在进入尾气消音阻火器消音阻火后排出。

进一步的，本发明还提供了一种构建如上述方案任意一项所述的具有组合式缸头的天然气V型引擎压缩机的方法，包括如下步骤：

步骤1，将V型发动机的一侧动力系统完整的保留，使之成为压缩采输机的动力端；

步骤2，将V型发动机的原有另一侧动力系统进行如下改造后使之成为压缩端：

(1)去掉动力缸套以上的部件只保留缸套，活塞及环，以及与活塞相连的连杆、曲轴；

(2)增加气体压缩缸头组件；该缸头组件由板式同心阀，该气阀具有吸气和排气为一体的功能，当活塞下行时，将低压天然气吸入缸内；当活塞上行时，压缩天然气使之成为高压气排出；

(3)构建压缩缸头组件，使得每个压缩缸具有独立的进气管口，但共用一个排气口；

步骤3，对现有V型发动机的相位和点火顺序不做调整，即对于V型八缸的点火顺序是A1、B4、A4、B1、B3、A3、B2、A2；经单侧改造后，动力端的直列四缸发动机的点火顺序为A1、A4、A3、A2，即点火正时盘不变，压缩端的并列四缸压缩机的压缩顺序为B4、B1、B3、B2。

步骤4，验证检测V型8缸天然气发动机改造成天然气压缩采输机的运行情况。

进一步的，上述方法还包括以下步骤：

步骤1，对所述采输机的动力端做防爆技术改进，对采输机的动力端相关的电器件全部采用具有Ⅰ级D组Ⅱ区级别的防爆器材，如启动马达、充电机、点火电缆、火花塞、高压包和燃气电控部件；其次，对采输机的动力端排气管进行湿法降温处理，以及对动力引擎的尾气排放进行消音灭火处理；

步骤2，为所述采输机的机组集装箱内设置可燃气体报警仪，一旦发生泄露和达到爆炸极限时，可燃气体报警仪即刻信号通知PLC控制器进行联锁停机保护，同时发出声光报警信号。

本发明特别针对现有增压开采设备难以适用的现状，在工业V型发动机引擎的基础上，将其改造成为自带燃气动力的气体压缩采输机械设备，并辅以其它相关的附属设施，使之成为具有标准化、模块化、自动化和集装化功能的成套机组，以解决和满足低压天然气、页岩气、煤层气的低压小气量和移动小功率的采输要求。

本发明就是针对页岩气困扰着业界的这些问题而创新的，其具有的功能能充分解决和满足页岩气的采输要求和需要。

本发明在增加粉尘过滤功能后，其具有的功能就可充分解决和满足煤层气的采输要求和需要。

本发明所具有的功能可以充分解决和满足低压天然气的采输要求和需要。

附图说明

图1A是本发明的V型八缸四冲程引擎压缩采输机的结构示意图；

图1B是本发明的V型八缸四冲程引擎压缩采输机的工作原理示意图；

图2是本发明第一个实施例的组合式压缩缸头组件结构示意图；

图3是本发明第一个实施例的组合式压缩缸头组件装配图；

图4是本发明第二个实施例的组合式压缩缸头组件结构示意图；

图5是本发明第二个实施例的组合式压缩缸头组件装配图；

图6是本发明的进排一体同心阀结构示意图；

图7是本发明的机组集装成撬安装总图；

图8是本发明的机组设备工艺流程控制图；

图9是本发明的机组降噪集装箱示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细地描述。

如图1A所示，本发明的采输机包括动力部分和压缩部分。所述动力部分包括进气门1，排气门2，火花塞3，排气管4，动力活塞5，动力连杆6等部件；该动力部分可以是常规的发动机的设置，优选使用天然气为燃料的天然气发动机的设置。所述压缩部分包括压缩缸头组件8，压缩活塞9，压缩连杆10等部件，动力连杆6和压缩连杆10分别连接到曲轴7上，所述采输机还包括油底壳11。所述动力部分与所述压缩部分呈V字形对称布置，更为优选地为八缸四冲程对称设置采输机；即每组动力缸和每组压缩缸都有四个气缸。

如图1B所示，本发明V型天然气工业发动机的左端(面对飞轮100)四只动力缸300作为动力源端200，并按V型八缸单侧动力的点火顺序进行做功，也可按四缸标准发动机的点火顺序；其发动机的右端(面对飞轮100)作为压缩端500，并按四缸600并列使用成为压缩机，其中，飞轮100由曲轴400来进行固定连接。

本发明的采输机可以单独制造，也可以在现有V型发动机的基础上进行改造，这样能达到节约研发成本，加快产品出产的效果。

在另一个实施例中，本发明提供了一种将V型8缸四冲程天然气发动机改造成天然气压缩采输机的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，将V型发动机的一侧动力系统完整的保留，使之成为压缩采输机的动力端。该端的功能是：将天然气作为燃料，在每只动力缸内进行四冲程(吸气，压缩，做功，排气)燃烧做功；其过程是高温高压燃烧气体膨胀推动动力活塞对外做功，其动力活塞的往复直线运动通过连杆曲拐机构转化成曲轴的旋转，旋转的曲轴再带动另一侧的连杆曲拐机构使压缩活塞上下往复运动。

步骤2，将V型发动机的原有另一侧动力系统进行如下改造后使之成为压缩端：

(1)去掉动力缸套以上的部件只保留缸套，活塞及环，以及与活塞相连的连杆曲轴等部件。

(2)增加气体压缩缸头组件；该缸头组件由板式同心阀，该气阀具有吸气和排气为一体的功能，压阀罩，缸体，以及近排气管等部件构成。该端的功能是：当活塞下行时，将低压天然气吸入缸内；当活塞上行时，压缩天然气使之成为高压气排出。压缩缸头组件为每个压缩缸提供独立的进气管口，但提供了共同的排气口。

步骤3，对现有V型发动机的相位和点火顺序不做调整，即原有八缸的点火顺序是A1、B4、A4、B1、B3、A3、B2、A2；经单侧改造后，动力端的直列四缸发动机的点火顺序为A1、A4、A3、A2(点火正时盘不变)，压缩端的并列四缸压缩机的压缩顺序为B4、B1、B3、B2。

步骤4，验证检测V型8缸天然气发动机改造成天然气压缩采输机的运行情况，本发明以华北柴油机有限公司生产的BF8M1015GCP天然气发动机为实物，对其进行以上创新技术改造后做了实际台架验证检测，其结果为：

(1)以华北柴油机有限公司的BF8M1015GCP天然气发动机为实物进行的创新技术改造实施例，经台架运行实际验证，机组运行平稳可靠，该创新技术改造实施例非常成功。

(2)华北柴油机有限公司的BF8M1015GCP天然气发动机实物为V型八缸，活塞直径132mm、行程145mm、单缸容积2升；经实际台架检测单侧四缸动力功率为：(1)不带涡轮增压40Kw、燃气消耗260Nm³/d，(2)带涡轮增压120Kw、燃气消耗706Nm³/d。

本发明的气体压缩缸头组件结构原理详细描述如下：

参照图2和图3，其详细示出了本发明第一个实施例的的组合式压缩缸头组件的结构示意图和安装图。参照图2，所示组合式压缩缸头组件由压缩缸头21、进排一体板式同心阀23、气阀罩25和气阀盖28等部件构成；压缩缸头21上开有4个阀孔，将每套气阀组件，包括气阀垫24，进排一体板式同心阀23，以及气阀上垫26依次装入每个缸头阀孔中，并分别用螺栓27将上述每套气阀组件、阀罩25和阀盖28、阀盖垫圈212紧固在单体缸头上。气阀盖28上设置有气阀进气口，同时在压缩缸头21的侧面开有排气口，排气口处配置有排气口法兰210和排气口法兰垫211，也采用螺栓27和平垫圈29将所述排气口法兰210和排气口法兰垫211固定到排气口上，这样就形成了机组四进一出的组合式压缩缸头组件。

参照图3，所述进排一体板式同心阀23包括内环进气口和外环排气口，其中内环进气口位于气阀罩25的内部，用于压缩气体的进入。外环排气口位于气阀罩25的外部，用于压缩气体的排出。气阀罩25与设置于缸头1内部的高压通道连通，所述各个阀孔之间分别通过高压通道相互连通的，且高压通道与所述排气口相连通。

组合式压缩缸头组件的工作过程和原理是：气体分4路从4个阀盖中部入口处进入各自的气阀上端，当哪个压缩缸的压缩活塞下行时，该缸的内环进气阀片在差压的作用下下行打开，气体就进入哪个压缩气缸；当压缩活塞上行时，该气缸的内环进气阀片在缸内气压作用下关闭，当缸内气压上升到一定压力时，外环排气阀片被顶开后气体汇入缸头高压通道内，再由排气口统一排出进入外输管网。

参照图4和5，其示出本发明第二个实施例的组合式压缩缸头组件的结构示意图和安装图。图4所示组合式压缩缸头组件由压缩缸头21、进排一体板式同心阀23、气阀罩25和气阀盖28等部件构成；压缩缸头21上开有4个阀孔，将每套气阀组件，包括气阀垫24，进排一体板式同心阀23，以及气阀上垫26依次装入每个缸头阀孔中，并分别用螺栓27将上述每套气阀组件、阀罩25和阀盖28、阀盖垫圈212紧固在单体缸头上。气阀盖28上设置有气阀进气口，同时在压缩缸头21的侧面开有排气口，从图4可以看到，在整体式缸头上对应于每个压缩气缸都设置了一个排气口，这样就形成了机组四进四出的组合式压缩缸头组件，每个进气口对应一个排气口。与实施例一相比，这种设置的优点在于加工整体式缸头时，不用进行复杂的内部加工。

参考图5，所述进排一体板式同心阀23包括内环进气口和外环排气口，其中内环进气口位于气阀罩25的内部，用于压缩气体的进入。外环排气口位于气阀罩25的外部，用于压缩气体的排出。气阀罩25的外部与气缸的排气口连通用于压缩气体的排出，这样各个气缸之间是相互独立，有利于分别进行密封。

下面将详细描述本发明机组的进排一体同心气阀的结构原理

参考图6，其详细示出了本发明机组的进排一体同心气阀的结构示意图和安装图。所示进排一体同心气阀由气阀阀座236、内环进气阀片238、外环排气阀片237、气阀限制器231和气阀螺柱235，以及气阀弹簧239和弹簧定位套232所构成；内环进气阀片238、外环排气阀片237通过阀片定位销233配置在阀座236上，外环排气阀片237与气阀限制器231之间配置有气阀弹簧和弹簧定位套。气阀螺柱235的一端固定到气阀阀座236上，另一端通过螺母234将气阀限制器231固定在内环进气阀片238、外环排气阀片237的上部。

其工作过程和原理是：当机组的压缩活塞下行时，压缩缸内形成负压，这时气阀的内环进气阀片在差压的作用下下行打开，气体进入压缩缸，而此时的外环排气阀片则在差压的作用下闭合；当压缩活塞上行时，压缩缸内的气体被压缩导致压力增高，内环进气阀片在缸内气压作用下关闭，当缸内气压上升到一定压力时，外环排气阀片237克服气阀弹簧239的压力被顶开后，气体被排出压缩缸。

本发明是用于天然气的压缩采输，因此针对天然气易燃易爆的特点，适应天然气采输场站Ⅰ级D组Ⅱ区的防爆要求，本发明在目前暂无防爆发动机制造和验收标准可参考和执行的前提下，对机组动力端的直列4缸燃气发动机做如下技术革新和功能完善：

(1)本发明鉴于目前工业发动机不具备防爆功能的现状，对机组动力端的直列4缸燃气发动机做防爆技术改进，使之达到气井场站Ⅰ级D组Ⅱ区的防爆技术要求。首先，对机组动力引擎相关的电器件全部采用具有Ⅰ级D组Ⅱ区级别的防爆器材，如启动马达、充电机、点火电缆、火花塞、高压包和燃气电控部件；其次，对机组的动力引擎排气管进行湿法降温处理(参照相关标准机体表面温度<150℃)，以及对动力引擎的尾气排放进行消音灭火处理(确保熄灭残留的火星)。

(2)本发明为适应气田井站环境和降低运行成本，优选天然气做为动力燃料，针对天然气发动机排温较高和高速运转的基本特征，对V型引擎压缩机的飞轮运行惯量进行计算或验证，并将高速运转的发动机降为中速运转，以及台架测试800RPM怠速下的空载平稳实验和1500RPM满载下的运行平稳实验，其各项运行参数应符合工业发动机引擎的相关技术规范的要求。

(3)本发明的制造验收标准为美国石油协会API--618(石油、化工和天然气工业用往复式压缩机)，API—11P(油气生产用配套往复式压缩机规范)，GB/T25359—2010(石油及天然气工业用集成撬装往复式压缩机)，GB/T20322—20006(石油及天然气工业用往复式压缩机)，SY/T5641—2009(石油天然气工业天然气发动机)。

(4)本发明的机组集装箱内设置有可燃气体报警仪，使其具有安全联锁保护功能；如天然气一旦发生泄露和达到爆炸极限时，可燃气体报警仪即刻信号通知PLC控制器进行联锁停机保护，同时发出声光报警信号。通过防爆技术革新的处理和联锁保护功能的完善，本发明具有可靠的安全性能，能充分满足低压天然气、页岩气，煤层气(油气井场)安全开采的防爆标准和技术要求。

下面将详细描述本发明机组的工艺设备流程

如图8所示，本发明机组的工艺设备流程为：(1)井口0.5-0.8Mpa的低压页岩气首先通过阀管道进入重力式进气分离器31，在分离器31内的气液分离是靠气体上升和固液下降来达到分离；(2)分离净化后的页岩气直接进入V型引擎采输机的压缩端，进入压缩缸内的低压页岩气被活塞压缩，其压力升高至2.5-3.0Mpa后被排出；(3)被排出后的高压页岩气(P＝2.5-3.0Mpa、T＝110-120℃)需进入空冷器管束34进行冷却后外输(T<50℃)，为防止管道积液，必要时还需加装一台出口气液分离器；(4)V型引擎采输机32的天然气动力燃料主要来至于高压外输页岩气，只有在初次投运时才使用经进气分离器分离后的低压天然气，动力燃气需进入燃气除液稳压罐37进行除液和稳压，以确保动力引擎的运行平稳；(5)燃气工艺参数：2.5-3.0Mpa的高压天然气经第一次调压为0.8Mpa后进入燃气除液稳压罐37，除液稳压后的燃气(0.8Mpa)经第二次调压为10Kpa，再次稳压后平稳进入动力引擎的混合器(无涡轮增压)与新鲜空气混合进缸燃烧做功；(6)燃烧做功后的尾气经夹套冷却，在进入尾气消音阻火器消音36阻火后排出；(7)机组配备的机油储罐自动补给机油，以确保机组不停机地长周期生产运行；(8)机组配备有膨胀水箱35，以确保机组动力和压缩的冷却循环。

本发明机组的成撬集成

如图7和图9所示，其详细示出了本发明的V型引擎压缩采输机整体结构图。本发明主要由进气分离器31、燃气除液稳压罐37、V型引擎压缩采输机32、空冷器34、膨胀水箱35、消音器36和集装箱体37，压缩机底座38，以及阀门、管线39和仪控等设施组成；其中，进气分离器31对所进气体进行重力分离，燃气除液稳压罐37对动力燃料进行除液稳压，V型引擎压缩采输机32对气体进行降压吸入和增压排出，空冷器34对压缩气体和循环冷却水进行空冷，集装箱体降噪隔音和成撬集成。

再次参考图9，其示出了所述压缩机集装箱的外观示意图，可以看到，所述箱体的压缩机底座38上开设有巡检门51，机组检修门52，还设置有仪表观察窗53。在箱体的一端还设置有防撞网54，另一端配置有百叶门。

鉴于低压天然气、页岩气、煤气层开采的共有属性和存在的问题，本发明特别针对现有增压开采设备难以适用的现状，在工业V型发动机引擎的基础上，将其改造成为自带燃气动力的气体压缩采输机械设备，并辅以其它相关的附属设施，使之成为具有标准化、模块化、自动化和集装化功能的成套机组，以解决和满足低压天然气、页岩气、煤层气的低压小气量和移动小功率的采输要求；其功能和用途如下：

1、本发明的V型八缸引擎压缩采输机组具有以下功能

(1)具有采输动力自带功能：本发明不受工业电源的限制，优选天然气为动力燃料，由动力端的直列四缸发动机提供压缩驱动动力，从而解决了气体压缩采输的动力问题；

(2)具有工况变化适应功能：本发明不受气井工况变化的限制，其单台机组为标准模块集装化的设备，可根据气井能量衰减的工况变化情况，以增减并联机组的数量来适应工况变化；

(3)具有能效动力环保功能：本发明不受动力排放和能效的限制，机组动力是电控精准燃烧做功的四冲程发动机，其动力能效和排放均符合当今的国家环保政策和要求；

(4)具有可靠安全防爆功能：本发明不受气井场站防爆标准的限制，机组动力端的直列4缸燃气发动机已做相应的防爆技术处理，其防爆技术指标已达到Ⅰ级D组Ⅱ区的防爆要求；

(5)具有标准模块集装功能：本发明在气井采净后的频繁搬迁过程中，这就需要采输设备要不断地频繁移动和搬迁至新的井站；难以实现页岩气开采的集装化、模块化、标准化和系统化。

(6)具有智能操作保护功能：本发明可一键式启动和停车，其控制系统具有超速、超温、超压、缺油和缺水等联锁停车保护功能，以及具有报表统计、曲线查询、故障提示和远传联网功能。

2、本发明的V型八缸引擎压缩采输机组具有以下用途

(1)页岩气的采输

页岩气是页岩中储藏的非常规天然气，它和那些只要从地面钻至气层，就会自动喷出来的常规天然气不同，须采取特殊的采输方法才能把页岩气从地下全部开采出来；这因为页岩储气微孔小和压力低，导致稀薄的页岩气必须采用压缩采输技术。目前，页岩气的开采尚在探索过程中，其低压小流量、移动小功率、动力来源和采收率的问题困扰着业界，本发明就是针对页岩气困扰着业界的这些问题而创新的，其具有的功能能充分解决和满足页岩气的采输要求和需要。

(2)煤层气的采输

煤层气是地下煤矿内的非常规天然气，其低渗透、低压力、低流量(单井)和多粉尘的开采问题较为突出，也一直未得到技术上的有效解决；目前，煤层气的开采也尚处在开采初期，其低压小流量、粉尘堵塞磨损和采收率的问题也困扰着业界，本发明在增加粉尘过滤功能后，其具有的功能就可充分解决和满足煤层气的采输要求和需要。

(3)低压天然气的采输

低压天然气是常规天然气井在开采末期的低效天然气，或属三低(低渗透、低压力、低气量)性质的低产天然气，其低压小流量、移动小功率、动力来源和采收率的问题制約了低压天然气的开采；本发明所具有的功能可以充分解决和满足低压天然气的采输要求和需要。

本发明的V型八缸引擎压缩采输机组从根本上解决了低压天然气、页岩气、煤层气的开采技术问题，并能有效地降低其开采成本和提高其经济效益；所以，本发明是涉及页岩气开采领域能否解决技术和成本的关键性装备，是页岩气开采领域的产品。

尽管已经结合实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解地是，在不背离本发明精神和实质下的各种修正、形变都是允许的，它们都落入本发明权利要求的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种具有组合式缸头的天然气V型引擎压缩机，包括动力部分和压缩部分，所述动力部分包括进气门，排气门，火花塞，排气管，动力活塞，动力连杆；所述压缩部分包括压缩缸头组件，压缩活塞，压缩连杆，所述动力连杆和压缩连杆分别连接到曲轴上，所述动力部分与所述压缩部分呈V字形对称布置，所述压缩缸头组件为组合式压缩缸头，其具有多个压缩缸，所述多个压缩缸分别具有独立进气管口。

2.如权利要求1所述的具有组合式缸头的天然气V型引擎压缩机，其特征在于：所述压缩缸头组件包括压缩缸头、气阀组件、气阀罩和气阀盖；压缩缸头上开有多个个阀孔，所述气阀组件包括气阀垫，进排一体板式同心阀，以及气阀上垫，将所述气阀组件装入每个缸头阀孔中，所述气阀罩设置在所述气阀上垫上，阀盖垫圈设置在所述气阀罩上，气阀盖设置在阀盖垫圈上，螺栓将上述气阀组件、阀罩、阀盖垫圈、阀盖紧固在所述缸头上；气阀盖上设置有气阀进气口，同时在压缩缸头的侧面开有排气口。

3.如权利要求1或2所述的具有组合式缸头的天然气V型引擎压缩机，其特征在于：所述进排一体同心气阀由气阀阀座、内环进气阀片、外环排气阀片、气阀限制器和气阀螺柱，以及气阀弹簧和弹簧定位套所构成；内环进气阀片、外环排气阀片通过阀片定位销配置在阀座上，外环排气阀片与气阀限制器之间配置有气阀弹簧和弹簧定位套，气阀螺柱的第一端固定到气阀阀座上，另一端通过螺母将气阀限制器固定在内环进气阀片、外环排气阀片上，当机组的压缩活塞下行时，所述内环进气阀片打开，气体进入压缩缸，而此时的外环排气阀片闭合；当压缩活塞上行时，所述内环进气阀片关闭，当缸内气压上升到一定压力时，外环排气阀片打开，气体被排出压缩缸。

4.如权利要求3所述的具有组合式缸头的天然气V型引擎压缩机，其特征在于：所述内环进气阀片对应的内环进气口位于所述气阀罩的内部，用于压缩气体的进入，所述外环排气阀片对应的外环排气口位于所述气阀罩的外部，用于压缩气体的排出，所述气阀罩与设置于所述缸头内部的高压通道连通，所述多个阀孔之间分别通过所述高压通道相互连通，且所述高压通道与设置在所述缸头上的排气口相连通，所述排气口处配置有排气口法兰和排气口法兰垫，采用螺栓和平垫圈将所述排气口法兰和排气口法兰垫固定到排气口上。

5.如权利要求3所述的具有组合式缸头的天然气V型引擎压缩机，其特征在于：所述内环进气阀片对应的内环进气口位于所述气阀罩的内部，用于压缩气体的进入，所述外环排气阀片对应的外环排气口位于所述气阀罩的外部，用于压缩气体的排出；整体式压缩缸头的每一个气缸的侧面都设置有独立的排气口，每个气阀罩的外部都分别与对应的排气口连通，进行压缩气体的排出。

6.一种引擎压缩采输机系统，包括上述任意一项权利要求所述的具有组合式缸头的天然气V型引擎压缩机，其特征在于，还包括进气分离器、燃气除液稳压罐、空冷器、膨胀水箱、消音器和集装箱体，压缩机底座，以及阀门、管线和仪控；其中，进气分离器对所进气体进行重力分离，燃气除液稳压罐对动力燃料进行除液稳压，压缩引擎压缩采输机对气体进行降压吸入和增压排出，空冷器对压缩气体和循环冷却水进行空冷，集装箱体配置为降噪隔音和成撬集成。

7.一种操作如权利要求要求6的引擎压缩采输机系统的方法，包括如下步骤：

步骤1，将采集到的低压页岩气首先通过阀管道进入重力式进气分离器，在所述进气分离器内的气液分离是靠气体上升和固液下降来进行分离；

步骤2，分离净化后的页岩气直接进入所述V型引擎采输机的压缩端，进入压缩缸内的低压页岩气被活塞压缩，其压力升高后被排出；

步骤3，被排出后的高压页岩气进入所述空冷器的空冷器管束进行冷却后外输；

步骤4，将步骤3输出的高压页岩气输送到燃气除液稳压罐进行除液和稳压后提供给所述V型引擎采输机的动力部分；即，将2.5-3.0Mpa的高压页岩气经第一次调压为0.8Mpa后进入所述燃气除液稳压罐，除液稳压后的燃气经第二次调压为10Kpa，再次稳压后平稳进入动力引擎的混合器与新鲜空气混合进缸燃烧做功；

步骤5，燃烧做功后的尾气经夹套冷却，在进入尾气消音阻火器消音阻火后排出。

8.一种构建如权利要求1-5任意一项所述的具有组合式缸头的天然气V型引擎压缩机的方法，包括如下步骤：

步骤1，将V型发动机的一侧动力系统完整的保留，使之成为压缩采输机的动力端；

步骤2，将V型发动机的原有另一侧动力系统进行如下改造后使之成为压缩端：

(1)去掉动力缸套以上的部件只保留缸套，活塞及环，以及与活塞相连的连杆、曲轴；

(2)增加气体压缩缸头组件；该缸头组件由板式同心阀，该气阀具有吸气和排气为一体的功能，当活塞下行时，将低压天然气吸入缸内；当活塞上行时，压缩天然气使之成为高压气排出；

(3)构建压缩缸头组件，使得每个压缩缸具有独立的进气管口，但共用一个排气口；

步骤3，对现有V型发动机的相位和点火顺序不做调整，即对于V型八缸的点火顺序是A1、B4、A4、B1、B3、A3、B2、A2；经单侧改造后，动力端的直列四缸发动机的点火顺序为A1、A4、A3、A2，即点火正时盘不变，压缩端的并列四缸压缩机的压缩顺序为B4、B1、B3、B2。

步骤4，验证检测V型8缸天然气发动机改造成天然气压缩采输机的运行情况。

9.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤1，对所述采输机的动力端做防爆技术改进，对采输机的动力端相关的电器件全部采用具有Ⅰ级D组Ⅱ区级别的防爆器材，如启动马达、充电机、点火电缆、火花塞、高压包和燃气电控部件；其次，对采输机的动力端排气管进行湿法降温处理，以及对动力引擎的尾气排放进行消音灭火处理；

步骤2，为所述采输机的机组集装箱内设置可燃气体报警仪，一旦发生泄露和达到爆炸极限时，可燃气体报警仪即刻信号通知PLC控制器进行联锁停机保护，同时发出声光报警信号。