新型钻井柴油机余热回收装置的研究和应用

滕一宁+孙长征+郭星民

（胜利工程公司渤海钻井 山东东营 257200）

摘要：本文通过对胜利油区钻井装备特点和冬季施工需求进行现场调查、分析和研究，设计出一套钻井用柴油机余热回收装置，用于冬防保温，大幅提高了能源的利用率，降低了废气排放，改善了野外施工条件，顺应当前绿色低碳发展的新趋势，实现了安全环保、降本增效。

关键词：柴油机；余热回收；绿色低碳；

一、项目背景

胜利油田地处北方地区，冬季基本上都使用柴油锅炉或者电加热锅炉产生蒸汽实现设备保温，同时驻井宿舍房的采暖基本上靠电加热暖气片。这些不仅增加了钻井队的燃料、电力成本负担，从环保角度，柴油机碳高温烟气直接排入大气，也不符合节能减排的理念。随着环保压力的迫切需要，国家制定了节能减排的发展战略以及国家应对温室气体排放的要求，中石化也制定《中国石化合同能源管理项目的实施办法》，对节能减排提出具体指导意见、考核实施。开展柴油机尾气余热回收利用技术的研究，不仅能够降低钻井运行成本，而且能够解决能源浪费问题和安全环保隐患问题，达到实现节能减排的目的。

二、设计原理和结构分析

钻井柴油机余热回收装置利用钻井队目前主要配备的动力柴油机或者发电柴油机排出的高温烟气作为主要热源，驱动余热蒸汽锅炉产生高温、高压的水蒸汽，通过换热器交换驱动采暖管网，可以为宿舍房提供冬季采暖。另外，蒸汽可以用于井队设备的冬防保温，进行吹扫钻台、清洗套管、紧急解冻等工作。

余热回收装置由两个撬块结构组成：水箱撬置于地上，工作时换热撬放在水箱撬上面，另外包括为宿舍供暖的整个采暖系统。

换热撬主要包括余热蒸汽锅炉、锅炉补水泵、换热器、防冻液回收系统、采暖循环泵、电控箱组成（如图1所示）。余热蒸汽锅炉与柴油机烟囱连接，产生高温高压蒸汽。蒸汽一方面通过蒸汽换热器加热采暖介质（防冻液），另外可外接作为冬防保温使用。2台锅炉补水泵其中的1台为手动操作，为锅炉上水，另外1台为自动控制上水，当手动上水达到规定液位以后，即可关闭手动上水泵，自动控制的上水泵在液位控制器的控制下开始工作，维持锅炉水位在一定的范围以内。

水箱撬主要有冷水箱、热水箱、控制系统、补水泵组成。高温蒸汽通过换热器交换以后变成热水回到热水箱，热水通过补水泵向锅炉补水。由于使用过程中热水不断消耗，下降到低液位以后，应该及时通过补水泵向热水箱补水。

采暖系统包括宿舍暖气片、供暖管线、热水泵、防冻液回收系统组成。为了防止系统停止时供暖管线冻结，采用防冻液作为暖气给水。井队搬家时要回收防冻液，采用压缩空气将整个供暖系统的防冻液压回回收系统储备箱。

该方案有以下特点：

1）既可以产生蒸汽也可以采暖用。蒸汽可作为冬防保温用，平时用来加热采暖。

2）采用大口径排烟管，减少折弯数量，基本不影响柴油机功率。通过使用可伸缩排烟管、波纹管。活动法兰等技术，一根排烟管可以切换到2台柴油机上面。烟气在经过排烟管、蒸汽锅炉、盘管换热器后，其中的火星与热量多次碰撞后很快熄灭，具有良好的灭火罩、消音作用。

3）具有好的自动控制功能，基本实现无人值守。

三、技术指标分析

用于单台柴油机的系统热工指标如表所示：

为满足以上指标，对涉及参数进行计算如下：

经过统计和计算，每台Z12V190B柴油机平均每小时废气侧产生热量Q约为439200KJ。

每台柴油机、每小时加热50℃热水产生0.6MPa、158℃蒸汽，废气侧热量*热效率=蒸汽产量*（蒸汽焓-给水焓），已知0.6MPa、158℃蒸汽焓=2756KJ/kg，50℃水焓=210KJ/kg，效率=80%，则蒸汽产量=废气侧热量*热效率/（蒸汽焓-给水焓）=439200*80%/（2756-210）KJ/kg =138 kg 设计供暖防冻液进水温55°，出水温度95°，55℃水（防冻液）焓=230KJ/kg， 95℃水（防冻液）焓=398KJ/kg，设计蒸汽换热器效率80%，进口0.6MPa、158℃蒸汽，焓2756KJ/kg，出口100热水，焓419KJ/kg，设计盘管加热器进气温度200℃，出口温度150℃，盘管加热器吸收热量

=CP0（T2-T1）*120*60*0.61

=219600KJ ，那么，

每小时加热总热量 =（进口蒸汽焓-出口热水焓）*蒸汽量*效率+盘管加热器吸收热量*转换效率=（2756-419）*138*80%+219600*80%=433685KJ

加热功率=每小时加热总热量/3600s=120KW

设每小时加热的防冻液质量W（kg） ，每小时加热总热量=（95℃水焓-55℃水焓）*W，则W=2580kg

则要求熱水循环泵排量=2580/60=43L/min以上。

如果防冻液全部用于供暖，取供暖功率150W/m2，供暖进水温度90°，出水温度60°，效率80%，已知60℃水焓为252KJ/kg ，90℃水焓=377KJ/kg，得出每小时供暖面积=（90℃水焓—60℃水焓）*2580*1000*0.8/150/3600

=478 m2

四、经济和社会效益

4.1经济效益分析

本系统可以取代10个宿舍、20片电热暖气片，按照每个暖气片2KW、冬季加热按照3个月计算，可节电86400kwh，如果发1度电按照230g柴油计算，可节约柴油19.872t，经济效益8.95万元。

本系统在用于冬防保温时，每小时产生138kg 蒸汽，如果取代柴油加热锅炉，按照一公斤轻柴油产生15KG蒸汽来计算，每小时节约柴油9kg。如果每个冬季使用200小时，节约柴油1.8t，经济效益8100元。如果取代电加热锅炉，由于柴油机发电效率的原因，经济效益更高一些。

4.2社会效益分析

余热回收装置还具有很好的消音、灭火功能。柴油机内部发出声波经过多次设备、管道的缓冲、吸收，加之装置烟道外壳保温材料具有很好的吸声性能，可降低噪声15dB。烟气的火星在装置盘管多次碰撞后很快熄灭，不会随烟气带出排烟管。烟气在经过装置后温度由380℃降低到150℃左右，降低了排气与可燃气体发生燃烧爆炸的可能性。endprint