柴油機(jī)余熱回收利用技術(shù)

秦建忠 王汝華 張德 尹川 李滿江 任桂英（川慶鉆探長慶鉆井總公司）

柴油機(jī)余熱回收利用技術(shù)

秦建忠 王汝華 張德 尹川 李滿江 任桂英（川慶鉆探長慶鉆井總公司）

油田鉆井柴油機(jī)余熱回收裝置利用柴油機(jī)煙囪排出的高溫?zé)煔?350～400℃)，對(duì)通過該裝置的循環(huán)水加熱，最終得到150℃左右的煙氣和一定溫度的熱水（熱水溫度可控）。再用熱水對(duì)油田使用的柴油加熱，讓冬季0號(hào)柴油保持在正常使用的溫度范圍內(nèi)，達(dá)到了余熱回收、節(jié)能降耗的目的，收到了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

新技術(shù) 余熱回收利用 節(jié)能 環(huán)保

柴油機(jī)排煙溫度一般在350℃以上，煙品高，具有很高的回收利用價(jià)值。根據(jù)井隊(duì)的設(shè)備配置、柴油機(jī)及柴油發(fā)電機(jī)組的配置、柴油儲(chǔ)罐冬季供熱需求量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，分析研究了柴油機(jī)煙氣余熱回收利用的可行性，制定出柴油機(jī)煙氣回收利用的研究方案。并以此探討用此裝置為整個(gè)鉆機(jī)（防砂棚內(nèi)的所有設(shè)備及循環(huán)系統(tǒng)）冬季供熱保溫的可行性，以實(shí)現(xiàn)冬季徹底棄用-20號(hào)柴油，達(dá)到節(jié)能降耗、降低鉆井成本的目的。

1 研究內(nèi)容和目標(biāo)

主要研究內(nèi)容包括：余熱回收供熱工藝流程設(shè)計(jì)；柴油機(jī)尾氣余熱回收供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)；換熱器配套裝置研究。

研究小組初步設(shè)計(jì)的柴油機(jī)余熱回收供熱系統(tǒng)由熱交換器、循環(huán)儲(chǔ)水罐、換熱循環(huán)系統(tǒng)、供熱循環(huán)系統(tǒng)組成，見圖1。

通過柴油機(jī)排煙管煙氣排煙情況研究，考慮其安全性、投資效益等，在冬季對(duì)柴油機(jī)煙氣余熱進(jìn)行回收。回收的熱量代替電熱管對(duì)柴油進(jìn)行預(yù)熱，減少了電能的消耗，也使冬季使用的-20號(hào)柴油降為0號(hào)柴油，大大降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)減少了污染物排放，符合節(jié)能減排要求。

利用井隊(duì)現(xiàn)有的動(dòng)力設(shè)備，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的各種運(yùn)行參數(shù)及井隊(duì)的燃料供給系統(tǒng)，進(jìn)一步探討全面回收柴油機(jī)發(fā)電機(jī)余熱方案，為鉆機(jī)冬季保溫提供熱源，給柴油罐加熱保溫，淘汰現(xiàn)行的燃油鍋爐或燃煤鍋爐，同時(shí)又不會(huì)影響柴油機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。

通過現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)，安裝的柴油機(jī)余熱回收裝置可達(dá)到冬季供熱保溫效果，滿足現(xiàn)場(chǎng)HSE要求，降低鉆井綜合成本，為井隊(duì)冬防保溫提供了有利條件。

2 技術(shù)方案與考核指標(biāo)

研制一種熱交換器，安裝在柴油機(jī)消音器位置，保證負(fù)壓很小，對(duì)柴油機(jī)工作沒有影響，同時(shí)起到消音的作用。

技術(shù)研究方案如下：

1）調(diào)研鉆井現(xiàn)場(chǎng)柴油機(jī)排煙管設(shè)備以及煙氣溫度熱量。

2）研究熱交換器的合理構(gòu)造及基本配置，結(jié)合實(shí)際，在確保安全的情況下完善其回收系統(tǒng)。

3）合理組裝一套余熱回收利用系統(tǒng)，冬季在鉆井隊(duì)進(jìn)行試驗(yàn)，收集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，完善余熱回收利用系統(tǒng)。

4）為確保換熱器部分安裝穩(wěn)固，考慮對(duì)支撐支架進(jìn)行合理改造。

經(jīng)濟(jì)技術(shù)考核指標(biāo)包括：

1）利用回收熱能給油罐的柴油預(yù)熱，替代37 kW的電加熱，以消除安全隱患。

2）實(shí)現(xiàn)冬季棄用-20號(hào)柴油，實(shí)現(xiàn)使用0號(hào)柴油的目的。

3）解決冬季鉆井現(xiàn)場(chǎng)職工方便用熱水。

4）對(duì)柴油機(jī)煙氣余熱回收利用可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

3 余熱回收利用裝置

3.1 結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)余熱回收裝置系統(tǒng)主要包括：熱交換器、水箱泵橇、電器控制系統(tǒng)及溫度計(jì)、壓力表、管閥配件，另外還包括熱交換器和水箱之間的連接軟管、水箱泵橇和柴油罐之間的連接軟管。熱交換器煙氣流經(jīng)管由20#鍋爐管制成，外殼板材由Q245R鋼板制成，安裝在柴油機(jī)消音器部位，與190柴油機(jī)煙囪法蘭連接。取代了以前消音器部位，與柴油機(jī)尾氣出口形成一個(gè)整體，該裝置同時(shí)具有消聲作用。水箱泵橇由方型水箱、循環(huán)泵及電器控制一體化橇裝結(jié)構(gòu)組成。水箱容積為1.5 m3，循環(huán)泵有3個(gè)，分別是換熱循環(huán)泵、供熱循環(huán)泵、備用水泵。結(jié)構(gòu)見圖2。

余熱回收裝置具有以下特點(diǎn)：

1）導(dǎo)熱性能好，換熱器熱效率高，能有效回收柴油機(jī)廢氣余熱。

2）技術(shù)上不影響柴油機(jī)功率，以最大功率回收余熱，柴油機(jī)負(fù)荷變化與補(bǔ)充能源相匹配。

3）體積小、質(zhì)量輕，可現(xiàn)場(chǎng)安裝、拆卸、維護(hù)、維修，使用簡單方便，結(jié)構(gòu)緊湊合理，便于運(yùn)輸。

4）運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用低。由于無任何轉(zhuǎn)動(dòng)部件，屬靜設(shè)備，沒有附加動(dòng)力消耗，運(yùn)行費(fèi)用低；另外，操作和維護(hù)簡單，不需備品、備件，即使有部分元件損壞，也不影響正常生產(chǎn)。

5）柴油機(jī)功率大于80%，排煙溫度大于300℃時(shí)，余熱回收設(shè)備每臺(tái)產(chǎn)熱水量不小于0.3 m3/h。

6）具有很好的消音滅火功能。煙氣經(jīng)過換熱器時(shí)，壓力始終是均衡的，煙氣中的火星與熱管多次碰撞后很快熄滅，具有消音滅火罩的功用。

7）溫度可調(diào)。熱交換器可以根據(jù)柴油需要的溫度和柴油量調(diào)節(jié)吸收的熱量，從而使柴油溫度穩(wěn)定在一個(gè)恒定的值，例如將0號(hào)柴油溫度穩(wěn)定在最佳使用溫度15℃±5℃。

8）余熱回收設(shè)備整體使用年限在5年以上。

3.2 工作原理

該設(shè)備的水箱部分是總流程的連接樞紐，也是動(dòng)力源，主要由水倉和泵閥室組成。泵閥室內(nèi)裝有兩套循環(huán)系統(tǒng)。水與煙氣換熱的吸熱循環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)電機(jī)前先向水倉注滿水，然后打開這個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，先打開閥門，再啟動(dòng)泵，水經(jīng)過煙氣回收換熱器吸熱，當(dāng)水溫達(dá)到50℃左右再啟動(dòng)另外一套系統(tǒng)進(jìn)行放熱。柴油加熱系統(tǒng)同樣是先打開閥門，再啟動(dòng)泵，熱水經(jīng)過柴油儲(chǔ)罐的加熱盤管對(duì)柴油加熱。此時(shí)吸熱循環(huán)系統(tǒng)和放熱循環(huán)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。水倉是兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的連接點(diǎn)，水經(jīng)過吸熱循環(huán)系統(tǒng)升溫后回到水倉，再經(jīng)過放熱循環(huán)系統(tǒng)對(duì)柴油加熱后回到水倉，另外水倉還設(shè)置了水進(jìn)口和水出口以做他用和補(bǔ)充。初次調(diào)試應(yīng)注意兩個(gè)平衡。一個(gè)是水平衡，水經(jīng)過循環(huán)系統(tǒng)后水倉里的水會(huì)減少，此時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充水倉里的水。另外一個(gè)平衡是熱平衡，吸熱系統(tǒng)的熱量會(huì)不斷地增加，放熱系統(tǒng)不斷地放熱。柴油的溫度可以由水溫來調(diào)控，水溫可以由煙氣回收器來調(diào)控，因此只需要調(diào)控?zé)煔饣厥掌骷纯烧{(diào)控柴油的溫度，使其保持在5～15℃的最佳使用溫度。

4 試驗(yàn)效果

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件為：

1）供熱循環(huán)管線無保溫。

2）供熱目標(biāo)為高架罐柴油，使用0號(hào)柴油。

3）換熱器2臺(tái)交替啟動(dòng)使用。

余熱回收供熱裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物見圖3、圖4。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果為：

1）通過試驗(yàn)換熱效率能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，換熱循環(huán)及供熱循環(huán)工作穩(wěn)定可靠。

2） 室外平均溫度在-3.43℃時(shí)，換熱器平均水溫為80.64℃，柴油罐罐體平均溫度達(dá)到14.93℃。

表1 余熱回收供熱裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（12V190型柴油機(jī)）

3） 由于在試驗(yàn)中循環(huán)系統(tǒng)使用普通水管，抗壓性很低，耐高溫比較差，實(shí)驗(yàn)過程中水管嚴(yán)重變軟，需要更換采熱與供熱管線。帶鋼絲夾層的橡膠軟管耐壓不低于4 MPa，耐熱高于100℃，接頭連接方便可靠，正常使用不會(huì)出現(xiàn)爆管事故。

4）2010年11月20日將水箱泵橇和熱交換器之間的連接管路及水箱泵橇與柴油罐之間的連接管線都更換為抗壓4 MPa、耐溫大于100℃的橡膠軟管繼續(xù)試驗(yàn)，運(yùn)行至12月中旬，改進(jìn)后的連接管線沒有出現(xiàn)異常情況。

現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用0號(hào)柴油，余熱回收系統(tǒng)能夠很好循環(huán)使用，同時(shí)運(yùn)行過程中柴油機(jī)功率輸出正常，柴油機(jī)增壓器溫度正常，負(fù)壓很小，不會(huì)影響柴油機(jī)正常工作。余熱回收裝置滿足冬季供熱保溫效果，滿足現(xiàn)場(chǎng)HSE要求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，大大降低鉆井成本。

5 余熱回收利用裝置的技術(shù)要求

1）采熱裝置安裝后不影響柴油機(jī)的正常排氣，不影響柴油機(jī)的性能參數(shù)及使用壽命。

2）熱水箱有效容積不小于2.5 m3，在環(huán)境-25℃時(shí)，采熱2 h內(nèi)水箱水溫要求達(dá)到70℃以上。

3）采熱循環(huán)回路與供熱循環(huán)回路獨(dú)立設(shè)計(jì)，采熱與供熱泵有備份，發(fā)生故障時(shí)能快速切換；供熱回路除給2具柴油罐正常供熱外，預(yù)留2路接口，需要時(shí)對(duì)水罐加溫。供熱回路通過控制流量大小來控制加熱溫度。

4）采熱與供熱管線采用帶鋼絲夾層的橡膠軟管，耐壓大于2 MPa，耐熱大于100℃，接頭連接方便可靠，正常使用過程中不會(huì)出現(xiàn)爆管事故。

5）采熱裝置在柴油機(jī)停機(jī)時(shí)能不借助起吊設(shè)備快速切換到同類的其他設(shè)施上繼續(xù)使用。

6）所有電器設(shè)備滿足井場(chǎng)防爆、防雨、防潮、防沙塵等要求，使用防護(hù)滿足HSE要求。

7）供貨廠家要派人現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)安裝調(diào)試，并負(fù)責(zé)井隊(duì)人員培訓(xùn)。

8）采熱裝置質(zhì)量保證期為5年，其余為1年，保證期內(nèi)廠家無償修理或更換，保證期外有償修理，終生提供零配件。

9）在不同鉆機(jī)上的互換性要強(qiáng)。

6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)包括：

1）利用回收熱能給油罐的柴油預(yù)熱，替代具有安全隱患的37 kW的電加熱。

2）實(shí)現(xiàn)冬季使用0號(hào)柴油的目的。

3）冬季鉆井現(xiàn)場(chǎng)職工方便用熱水。

4）利用產(chǎn)生的蒸汽清洗鉆井設(shè)備。

經(jīng)濟(jì)效益包括：

1）一個(gè)鉆井隊(duì)安裝一套柴油機(jī)（發(fā)電機(jī)）余熱回收利用系統(tǒng)，可以省去37 kW的在冬季給氣路加熱的氣路防凍系統(tǒng)。冬季加熱按照3個(gè)月計(jì)算，可節(jié)電37 kW×24 h×30×3=79920 kWh，發(fā)1 kWh電按照消耗230 g柴油計(jì)算，節(jié)約柴油量18.382 t，經(jīng)濟(jì)效益11.03×104元。

2）同時(shí)通過對(duì)油品的預(yù)熱，冬季使用的-20號(hào)柴油改用0號(hào)柴油，差價(jià)630元，一個(gè)鉆井隊(duì)冬季月消耗近80 t柴油，3個(gè)月消耗240 t柴油，經(jīng)濟(jì)效益15.12×104元。

兩項(xiàng)經(jīng)濟(jì)效益共計(jì)26.15×104元。

7 結(jié)語

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及使用證明，柴油機(jī)余熱回收利用技術(shù)，解決了長慶地區(qū)0號(hào)柴油替代-20號(hào)柴油、井隊(duì)基礎(chǔ)設(shè)備冬季采暖保油的問題，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排、降本增效，建議在更大的范圍推廣應(yīng)用。

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.01.009

秦建忠，1982年畢業(yè)于西安石油學(xué)院，設(shè)備管理高級(jí)工程師，從事設(shè)備管理工作，E-mail：qinjanzhong@163.com，地址：陜西省西安市未央?yún)^(qū)未央路151號(hào)長慶大廈，710021。

2011-11-18）