基于PLC 的海洋鉆井平臺(tái)柴油機(jī)廢熱利用系統(tǒng)研究

唐乾偉(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

1 海洋鉆井平臺(tái)柴油機(jī)能量分析

1.1 鉆井平臺(tái)柴油機(jī)效率分析

據(jù)我了解渤海灣自升式鉆井平臺(tái)所使用的柴油及基本上都是美國(guó)卡特彼勒的CAT 3512B 和CAT3516B 兩型的柴油機(jī)。以海洋石油281 為例，其有4 臺(tái)CAT 3512B 柴油發(fā)電機(jī)組，通過(guò)手冊(cè)查詢到：CAT 3512B 柴油發(fā)電機(jī)組的比油耗為：n=211g/kW·h=0.211kg/kW·h，柴油的熱值為柴油的熱值：m=46.04MJ/kg；每度電的熱值為：k=3.6MJ/kW·h。

通過(guò)計(jì)算CAT 3512B 柴油發(fā)電機(jī)組效率η：

由此可以看出CAT 3512B 柴油發(fā)電機(jī)組對(duì)于柴油的利用率只有37.06%。

1.2 柴油機(jī)組能力構(gòu)成

查詢經(jīng)驗(yàn)資料獲知，柴油機(jī)的能量分配為如圖1 所示。

圖1 柴油機(jī)的能量分配示意圖

由圖1 可以看出，根據(jù)上圖所示海洋石油281 的柴油機(jī)CAT 3512B 剩余的63%的能量由排煙帶走大約30%，由海水通過(guò)海水冷卻器帶走大約30%。

1.3 柴油機(jī)排煙能量分析

通過(guò)上述內(nèi)容我們可以看到，柴油機(jī)排煙所含的能力基本上接近其所發(fā)電量的能量，由此可見(jiàn)其所含能量是非常巨大的，按照正常作業(yè)時(shí)出力80%時(shí)，發(fā)電量為960kW·h，那么排煙所含能量約為900kW·h 電量所含的能量，根據(jù)每度電的熱值為：k=3.6MJ/kW·h，可以計(jì)算出排煙每小時(shí)所含能力為3.6×900=3240MJ。按照海洋石油281 的常用蒸汽參數(shù)計(jì)算大約可以產(chǎn)生1.2 噸的蒸汽，完全可以滿足平臺(tái)日常的蒸汽用量。

一般來(lái)說(shuō)，柴油機(jī)的排氣都不是高溫余熱或者低溫余熱，主要是屬于中溫余熱，四沖程中速柴油機(jī)的排氣溫度要比一般的大型低速柴油機(jī)更高些，基本可以達(dá)到400℃以上，而大型低速柴油機(jī)為250～380℃，由此可知，四沖程中速柴油機(jī)的排氣余熱屬于高品位的能量，且余熱排氣量非常大。根據(jù)海洋石油281 柴油機(jī)人機(jī)界面顯示可以直觀的看到其排氣溫度在出力30%時(shí)溫度為380℃，在出力80%時(shí)溫度為490℃，由此可見(jiàn)，可利用余地是很大的。

2 海洋鉆井平臺(tái)柴油機(jī)煙氣利用原理

2.1 海洋鉆井平臺(tái)熱量來(lái)源現(xiàn)狀

對(duì)于渤海灣的鉆井平臺(tái)來(lái)講，冬季作業(yè)因?yàn)榈蜏氐挠绊?，?duì)于設(shè)備、艙室、管線都需要進(jìn)行一定的供暖，就目前而言供暖方式主要有燃油鍋爐供暖和電熱風(fēng)機(jī)供暖。燃油鍋爐是以柴油為原料，通過(guò)直接燃燒柴油來(lái)加熱水變成蒸汽供全船取暖，這種方式會(huì)不僅對(duì)環(huán)境造成污染，而且還多消耗了燃油資源。而電熱風(fēng)機(jī)消耗的是平臺(tái)的電能，從根本上講它還是消耗的柴油，而且效率低下。

2.2 柴油機(jī)廢氣利用原理分析

根據(jù)海洋石油281 柴油機(jī)排煙管的形式最好的換熱器選擇就是管殼式換熱器。如圖2 所示，柴油機(jī)排煙為B 流體，工作質(zhì)為A 流體。外部供水走殼層，煙氣走管層。

圖2 柴油機(jī)排煙B與工作質(zhì)A經(jīng)換熱器的路徑示意圖

為了節(jié)約成本，可以利用平臺(tái)原燃油鍋爐系統(tǒng)的部分功能部件。包括鍋爐水處理裝置，供水泵、蒸汽管線、汽液分離器、疏水器等。我們暫時(shí)將此換熱器稱為蒸汽發(fā)生器，發(fā)生器建立自己獨(dú)立的控制系統(tǒng)，起到自動(dòng)運(yùn)行、保護(hù)、報(bào)警以及與其余系統(tǒng)良好搭配的作用。

3 海洋鉆井平臺(tái)柴油機(jī)煙氣利用電氣設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

煙氣利用系統(tǒng)主要包括設(shè)備如表1 所示。

表1 煙氣利用系統(tǒng)主要設(shè)備

3.2 設(shè)計(jì)理念

根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，選用西門子S7-200PLC 作為系統(tǒng)控制核心。該方式具有體積小，可靠性高等好處。甚至某些輸入部位發(fā)生故障時(shí)候，可以通過(guò)電腦實(shí)施操作，完成相應(yīng)的作業(yè)，在這一點(diǎn)上PLC 具有極大的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)該船需要做出如下方案：(1)采用西門子S7-200PLC作為主站，放置在集控室位置。(2)四臺(tái)柴油機(jī)排煙管分別安裝一套蒸汽發(fā)生器，每個(gè)蒸汽發(fā)生器配備一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，并以RS485 通訊的方式將數(shù)據(jù)傳送至PLC。(3)將原2 臺(tái)鍋爐的PLC以PROFIBUS-DP 的通訊方式與控制PLC 進(jìn)行通訊。(4)每臺(tái)蒸汽發(fā)生器安裝如下傳感器：在進(jìn)氣前段、中斷、后段分別裝設(shè)一個(gè)量程為1～700℃的耐高溫的溫度傳感器；在發(fā)生器供水進(jìn)口安裝一個(gè)壓力傳感器；在蒸汽出口安裝一個(gè)溫度傳感；在蒸汽出口安裝一個(gè)壓力傳感器；在進(jìn)發(fā)生器前的排煙管上安裝一個(gè)排煙壓力傳感器；在出發(fā)生器后的排煙管上安裝一個(gè)量程為1～500℃排煙溫度傳感器。(5)其供電方式采用又鍋爐配電箱直接供電，由鍋爐配電箱直接將380V、50Hz 的三相交流電直接供至其配電箱。

根據(jù)上述配置，系統(tǒng)原理圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)原理圖

3.3 控制邏輯

根據(jù)系統(tǒng)的要求，控制邏輯如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)控制邏輯圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，是對(duì)于此種技術(shù)的簡(jiǎn)介及初步設(shè)計(jì)?？赡懿皇翘貏e成熟，但初步看確實(shí)有節(jié)能效果，可操作性補(bǔ)覺(jué)強(qiáng)。蒸汽不僅可以用于冬季取暖，還可以用于發(fā)電。甚至如果使用吸收式制冷中央空調(diào)，還可以用于夏天生活區(qū)的制冷設(shè)備。如果在海洋石油鉆井平臺(tái)上推廣這項(xiàng)技術(shù)，不僅可以減少資源的消耗量，降低運(yùn)營(yíng)成本，還能夠減少環(huán)境污染，降低溫室氣體及其余微小顆粒物的排放。此項(xiàng)技術(shù)非常符合中海油提出的降本增效、綠色低碳的理念，適合大面積的推廣使用。