柴油机余热回收利用技术

秦建忠 王汝华 张德 尹川 李满江 任桂英（川庆钻探长庆钻井总公司）

柴油机余热回收利用技术

秦建忠 王汝华 张德 尹川 李满江 任桂英（川庆钻探长庆钻井总公司）

油田钻井柴油机余热回收装置利用柴油机烟囱排出的高温烟气(350～400℃)，对通过该装置的循环水加热，最终得到150℃左右的烟气和一定温度的热水（热水温度可控）。再用热水对油田使用的柴油加热，让冬季0号柴油保持在正常使用的温度范围内，达到了余热回收、节能降耗的目的，收到了一定的经济效益。

新技术 余热回收利用 节能 环保

柴油机排烟温度一般在350℃以上，烟品高，具有很高的回收利用价值。根据井队的设备配置、柴油机及柴油发电机组的配置、柴油储罐冬季供热需求量的现场实际，分析研究了柴油机烟气余热回收利用的可行性，制定出柴油机烟气回收利用的研究方案。并以此探讨用此装置为整个钻机（防砂棚内的所有设备及循环系统）冬季供热保温的可行性，以实现冬季彻底弃用-20号柴油，达到节能降耗、降低钻井成本的目的。

1 研究内容和目标

主要研究内容包括：余热回收供热工艺流程设计；柴油机尾气余热回收供热系统设计；换热器配套装置研究。

研究小组初步设计的柴油机余热回收供热系统由热交换器、循环储水罐、换热循环系统、供热循环系统组成，见图1。

通过柴油机排烟管烟气排烟情况研究，考虑其安全性、投资效益等，在冬季对柴油机烟气余热进行回收。回收的热量代替电热管对柴油进行预热，减少了电能的消耗，也使冬季使用的-20号柴油降为0号柴油，大大降低了生产成本，同时减少了污染物排放，符合节能减排要求。

利用井队现有的动力设备，根据生产设备的各种运行参数及井队的燃料供给系统，进一步探讨全面回收柴油机发电机余热方案，为钻机冬季保温提供热源，给柴油罐加热保温，淘汰现行的燃油锅炉或燃煤锅炉，同时又不会影响柴油机、柴油发电机组的正常运行。

通过现场反复试验，安装的柴油机余热回收装置可达到冬季供热保温效果，满足现场HSE要求，降低钻井综合成本，为井队冬防保温提供了有利条件。

2 技术方案与考核指标

研制一种热交换器，安装在柴油机消音器位置，保证负压很小，对柴油机工作没有影响，同时起到消音的作用。

技术研究方案如下：

1）调研钻井现场柴油机排烟管设备以及烟气温度热量。

2）研究热交换器的合理构造及基本配置，结合实际，在确保安全的情况下完善其回收系统。

3）合理组装一套余热回收利用系统，冬季在钻井队进行试验，收集相关数据进行分析比较，完善余热回收利用系统。

4）为确保换热器部分安装稳固，考虑对支撑支架进行合理改造。

经济技术考核指标包括：

1）利用回收热能给油罐的柴油预热，替代37 kW的电加热，以消除安全隐患。

2）实现冬季弃用-20号柴油，实现使用0号柴油的目的。

3）解决冬季钻井现场职工方便用热水。

4）对柴油机烟气余热回收利用可以实现节能减排的目的。

3 余热回收利用装置

3.1 结构

柴油机余热回收装置系统主要包括：热交换器、水箱泵橇、电器控制系统及温度计、压力表、管阀配件，另外还包括热交换器和水箱之间的连接软管、水箱泵橇和柴油罐之间的连接软管。热交换器烟气流经管由20#锅炉管制成，外壳板材由Q245R钢板制成，安装在柴油机消音器部位，与190柴油机烟囱法兰连接。取代了以前消音器部位，与柴油机尾气出口形成一个整体，该装置同时具有消声作用。水箱泵橇由方型水箱、循环泵及电器控制一体化橇装结构组成。水箱容积为1.5 m3，循环泵有3个，分别是换热循环泵、供热循环泵、备用水泵。结构见图2。

余热回收装置具有以下特点：

1）导热性能好，换热器热效率高，能有效回收柴油机废气余热。

2）技术上不影响柴油机功率，以最大功率回收余热，柴油机负荷变化与补充能源相匹配。

3）体积小、质量轻，可现场安装、拆卸、维护、维修，使用简单方便，结构紧凑合理，便于运输。

4）运行及维护费用低。由于无任何转动部件，属静设备，没有附加动力消耗，运行费用低；另外，操作和维护简单，不需备品、备件，即使有部分元件损坏，也不影响正常生产。

5）柴油机功率大于80%，排烟温度大于300℃时，余热回收设备每台产热水量不小于0.3 m3/h。

6）具有很好的消音灭火功能。烟气经过换热器时，压力始终是均衡的，烟气中的火星与热管多次碰撞后很快熄灭，具有消音灭火罩的功用。

7）温度可调。热交换器可以根据柴油需要的温度和柴油量调节吸收的热量，从而使柴油温度稳定在一个恒定的值，例如将0号柴油温度稳定在最佳使用温度15℃±5℃。

8）余热回收设备整体使用年限在5年以上。

3.2 工作原理

该设备的水箱部分是总流程的连接枢纽，也是动力源，主要由水仓和泵阀室组成。泵阀室内装有两套循环系统。水与烟气换热的吸热循环系统启动电机前先向水仓注满水，然后打开这个循环系统，先打开阀门，再启动泵，水经过烟气回收换热器吸热，当水温达到50℃左右再启动另外一套系统进行放热。柴油加热系统同样是先打开阀门，再启动泵，热水经过柴油储罐的加热盘管对柴油加热。此时吸热循环系统和放热循环系统同时运转。水仓是两个循环系统的连接点，水经过吸热循环系统升温后回到水仓，再经过放热循环系统对柴油加热后回到水仓，另外水仓还设置了水进口和水出口以做他用和补充。初次调试应注意两个平衡。一个是水平衡，水经过循环系统后水仓里的水会减少，此时应及时补充水仓里的水。另外一个平衡是热平衡，吸热系统的热量会不断地增加，放热系统不断地放热。柴油的温度可以由水温来调控，水温可以由烟气回收器来调控，因此只需要调控烟气回收器即可调控柴油的温度，使其保持在5～15℃的最佳使用温度。

4 试验效果

现场测试条件为：

1）供热循环管线无保温。

2）供热目标为高架罐柴油，使用0号柴油。

3）换热器2台交替启动使用。

余热回收供热装置现场实测数据见表1。

测试现场实物见图3、图4。

现场测试结果为：

1）通过试验换热效率能够达到设计要求，换热循环及供热循环工作稳定可靠。

2） 室外平均温度在-3.43℃时，换热器平均水温为80.64℃，柴油罐罐体平均温度达到14.93℃。

表1 余热回收供热装置现场实测数据（12V190型柴油机）

3） 由于在试验中循环系统使用普通水管，抗压性很低，耐高温比较差，实验过程中水管严重变软，需要更换采热与供热管线。带钢丝夹层的橡胶软管耐压不低于4 MPa，耐热高于100℃，接头连接方便可靠，正常使用不会出现爆管事故。

4）2010年11月20日将水箱泵橇和热交换器之间的连接管路及水箱泵橇与柴油罐之间的连接管线都更换为抗压4 MPa、耐温大于100℃的橡胶软管继续试验，运行至12月中旬，改进后的连接管线没有出现异常情况。

现场反复试验发现，生产现场使用0号柴油，余热回收系统能够很好循环使用，同时运行过程中柴油机功率输出正常，柴油机增压器温度正常，负压很小，不会影响柴油机正常工作。余热回收装置满足冬季供热保温效果，满足现场HSE要求，实现节能减排目标，大大降低钻井成本。

5 余热回收利用装置的技术要求

1）采热装置安装后不影响柴油机的正常排气，不影响柴油机的性能参数及使用寿命。

2）热水箱有效容积不小于2.5 m3，在环境-25℃时，采热2 h内水箱水温要求达到70℃以上。

3）采热循环回路与供热循环回路独立设计，采热与供热泵有备份，发生故障时能快速切换；供热回路除给2具柴油罐正常供热外，预留2路接口，需要时对水罐加温。供热回路通过控制流量大小来控制加热温度。

4）采热与供热管线采用带钢丝夹层的橡胶软管，耐压大于2 MPa，耐热大于100℃，接头连接方便可靠，正常使用过程中不会出现爆管事故。

5）采热装置在柴油机停机时能不借助起吊设备快速切换到同类的其他设施上继续使用。

6）所有电器设备满足井场防爆、防雨、防潮、防沙尘等要求，使用防护满足HSE要求。

7）供货厂家要派人现场负责安装调试，并负责井队人员培训。

8）采热装置质量保证期为5年，其余为1年，保证期内厂家无偿修理或更换，保证期外有偿修理，终生提供零配件。

9）在不同钻机上的互换性要强。

6 技术经济指标

技术指标包括：

1）利用回收热能给油罐的柴油预热，替代具有安全隐患的37 kW的电加热。

2）实现冬季使用0号柴油的目的。

3）冬季钻井现场职工方便用热水。

4）利用产生的蒸汽清洗钻井设备。

经济效益包括：

1）一个钻井队安装一套柴油机（发电机）余热回收利用系统，可以省去37 kW的在冬季给气路加热的气路防冻系统。冬季加热按照3个月计算，可节电37 kW×24 h×30×3=79920 kWh，发1 kWh电按照消耗230 g柴油计算，节约柴油量18.382 t，经济效益11.03×104元。

2）同时通过对油品的预热，冬季使用的-20号柴油改用0号柴油，差价630元，一个钻井队冬季月消耗近80 t柴油，3个月消耗240 t柴油，经济效益15.12×104元。

两项经济效益共计26.15×104元。

7 结语

现场试验及使用证明，柴油机余热回收利用技术，解决了长庆地区0号柴油替代-20号柴油、井队基础设备冬季采暖保油的问题，实现了节能减排、降本增效，建议在更大的范围推广应用。

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.01.009

秦建忠，1982年毕业于西安石油学院，设备管理高级工程师，从事设备管理工作，E-mail：qinjanzhong@163.com，地址：陕西省西安市未央区未央路151号长庆大厦，710021。

2011-11-18）