新型鉆井柴油機余熱回收裝置的研究和應用

滕一寧+孫長征+郭星民

（勝利工程公司渤海鉆井 山東東營 257200）

摘要：本文通過對勝利油區(qū)鉆井裝備特點和冬季施工需求進行現(xiàn)場調(diào)查、分析和研究，設計出一套鉆井用柴油機余熱回收裝置，用于冬防保溫，大幅提高了能源的利用率，降低了廢氣排放，改善了野外施工條件，順應當前綠色低碳發(fā)展的新趨勢，實現(xiàn)了安全環(huán)保、降本增效。

關鍵詞：柴油機；余熱回收；綠色低碳；

一、項目背景

勝利油田地處北方地區(qū)，冬季基本上都使用柴油鍋爐或者電加熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽實現(xiàn)設備保溫，同時駐井宿舍房的采暖基本上靠電加熱暖氣片。這些不僅增加了鉆井隊的燃料、電力成本負擔，從環(huán)保角度，柴油機碳高溫煙氣直接排入大氣，也不符合節(jié)能減排的理念。隨著環(huán)保壓力的迫切需要，國家制定了節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略以及國家應對溫室氣體排放的要求，中石化也制定《中國石化合同能源管理項目的實施辦法》，對節(jié)能減排提出具體指導意見、考核實施。開展柴油機尾氣余熱回收利用技術的研究，不僅能夠降低鉆井運行成本，而且能夠解決能源浪費問題和安全環(huán)保隱患問題，達到實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

二、設計原理和結構分析

鉆井柴油機余熱回收裝置利用鉆井隊目前主要配備的動力柴油機或者發(fā)電柴油機排出的高溫煙氣作為主要熱源，驅(qū)動余熱蒸汽鍋爐產(chǎn)生高溫、高壓的水蒸汽，通過換熱器交換驅(qū)動采暖管網(wǎng)，可以為宿舍房提供冬季采暖。另外，蒸汽可以用于井隊設備的冬防保溫，進行吹掃鉆臺、清洗套管、緊急解凍等工作。

余熱回收裝置由兩個撬塊結構組成：水箱撬置于地上，工作時換熱撬放在水箱撬上面，另外包括為宿舍供暖的整個采暖系統(tǒng)。

換熱撬主要包括余熱蒸汽鍋爐、鍋爐補水泵、換熱器、防凍液回收系統(tǒng)、采暖循環(huán)泵、電控箱組成（如圖1所示）。余熱蒸汽鍋爐與柴油機煙囪連接，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽。蒸汽一方面通過蒸汽換熱器加熱采暖介質(zhì)（防凍液），另外可外接作為冬防保溫使用。2臺鍋爐補水泵其中的1臺為手動操作，為鍋爐上水，另外1臺為自動控制上水，當手動上水達到規(guī)定液位以后，即可關閉手動上水泵，自動控制的上水泵在液位控制器的控制下開始工作，維持鍋爐水位在一定的范圍以內(nèi)。

水箱撬主要有冷水箱、熱水箱、控制系統(tǒng)、補水泵組成。高溫蒸汽通過換熱器交換以后變成熱水回到熱水箱，熱水通過補水泵向鍋爐補水。由于使用過程中熱水不斷消耗，下降到低液位以后，應該及時通過補水泵向熱水箱補水。

采暖系統(tǒng)包括宿舍暖氣片、供暖管線、熱水泵、防凍液回收系統(tǒng)組成。為了防止系統(tǒng)停止時供暖管線凍結，采用防凍液作為暖氣給水。井隊搬家時要回收防凍液，采用壓縮空氣將整個供暖系統(tǒng)的防凍液壓回回收系統(tǒng)儲備箱。

該方案有以下特點：

1）既可以產(chǎn)生蒸汽也可以采暖用。蒸汽可作為冬防保溫用，平時用來加熱采暖。

2）采用大口徑排煙管，減少折彎數(shù)量，基本不影響柴油機功率。通過使用可伸縮排煙管、波紋管?；顒臃ㄌm等技術，一根排煙管可以切換到2臺柴油機上面。煙氣在經(jīng)過排煙管、蒸汽鍋爐、盤管換熱器后，其中的火星與熱量多次碰撞后很快熄滅，具有良好的滅火罩、消音作用。

3）具有好的自動控制功能，基本實現(xiàn)無人值守。

三、技術指標分析

用于單臺柴油機的系統(tǒng)熱工指標如表所示：

為滿足以上指標，對涉及參數(shù)進行計算如下：

經(jīng)過統(tǒng)計和計算，每臺Z12V190B柴油機平均每小時廢氣側(cè)產(chǎn)生熱量Q約為439200KJ。

每臺柴油機、每小時加熱50℃熱水產(chǎn)生0.6MPa、158℃蒸汽，廢氣側(cè)熱量*熱效率=蒸汽產(chǎn)量*（蒸汽焓-給水焓），已知0.6MPa、158℃蒸汽焓=2756KJ/kg，50℃水焓=210KJ/kg，效率=80%，則蒸汽產(chǎn)量=廢氣側(cè)熱量*熱效率/（蒸汽焓-給水焓）=439200*80%/（2756-210）KJ/kg =138 kg 設計供暖防凍液進水溫55°，出水溫度95°，55℃水（防凍液）焓=230KJ/kg， 95℃水（防凍液）焓=398KJ/kg，設計蒸汽換熱器效率80%，進口0.6MPa、158℃蒸汽，焓2756KJ/kg，出口100熱水，焓419KJ/kg，設計盤管加熱器進氣溫度200℃，出口溫度150℃，盤管加熱器吸收熱量

=CP0（T2-T1）*120*60*0.61

=219600KJ ，那么，

每小時加熱總熱量 =（進口蒸汽焓-出口熱水焓）*蒸汽量*效率+盤管加熱器吸收熱量*轉(zhuǎn)換效率=（2756-419）*138*80%+219600*80%=433685KJ

加熱功率=每小時加熱總熱量/3600s=120KW

設每小時加熱的防凍液質(zhì)量W（kg） ，每小時加熱總熱量=（95℃水焓-55℃水焓）*W，則W=2580kg

則要求熱水循環(huán)泵排量=2580/60=43L/min以上。

如果防凍液全部用于供暖，取供暖功率150W/m2，供暖進水溫度90°，出水溫度60°，效率80%，已知60℃水焓為252KJ/kg ，90℃水焓=377KJ/kg，得出每小時供暖面積=（90℃水焓—60℃水焓）*2580*1000*0.8/150/3600

=478 m2

四、經(jīng)濟和社會效益

4.1經(jīng)濟效益分析

本系統(tǒng)可以取代10個宿舍、20片電熱暖氣片，按照每個暖氣片2KW、冬季加熱按照3個月計算，可節(jié)電86400kwh，如果發(fā)1度電按照230g柴油計算，可節(jié)約柴油19.872t，經(jīng)濟效益8.95萬元。

本系統(tǒng)在用于冬防保溫時，每小時產(chǎn)生138kg 蒸汽，如果取代柴油加熱鍋爐，按照一公斤輕柴油產(chǎn)生15KG蒸汽來計算，每小時節(jié)約柴油9kg。如果每個冬季使用200小時，節(jié)約柴油1.8t，經(jīng)濟效益8100元。如果取代電加熱鍋爐，由于柴油機發(fā)電效率的原因，經(jīng)濟效益更高一些。

4.2社會效益分析

余熱回收裝置還具有很好的消音、滅火功能。柴油機內(nèi)部發(fā)出聲波經(jīng)過多次設備、管道的緩沖、吸收，加之裝置煙道外殼保溫材料具有很好的吸聲性能，可降低噪聲15dB。煙氣的火星在裝置盤管多次碰撞后很快熄滅，不會隨煙氣帶出排煙管。煙氣在經(jīng)過裝置后溫度由380℃降低到150℃左右，降低了排氣與可燃氣體發(fā)生燃燒爆炸的可能性。endprint