基于PLC 的海洋鉆井平臺柴油機廢熱利用系統研究

唐乾偉(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

1 海洋鉆井平臺柴油機能量分析

1.1 鉆井平臺柴油機效率分析

據我了解渤海灣自升式鉆井平臺所使用的柴油及基本上都是美國卡特彼勒的CAT 3512B 和CAT3516B 兩型的柴油機。以海洋石油281 為例，其有4 臺CAT 3512B 柴油發電機組，通過手冊查詢到：CAT 3512B 柴油發電機組的比油耗為：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。

通過計算CAT 3512B 柴油發電機組效率η：

由此可以看出CAT 3512B 柴油發電機組對于柴油的利用率只有37.06%。

1.2 柴油機組能力構成

查詢經驗資料獲知，柴油機的能量分配為如圖1 所示。

圖1 柴油機的能量分配示意圖

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

1.3 柴油機排煙能量分析

通過上述內容我們可以看到，柴油機排煙所含的能力基本上接近其所發電量的能量，由此可見其所含能量是非常巨大的，按照正常作業時出力80%時，發電量為960kW·h，那么排煙所含能量約為900kW·h 電量所含的能量，根據每度電的熱值為：k=3.6MJ/kW·h，可以計算出排煙每小時所含能力為3.6×900=3240MJ。按照海洋石油281 的常用蒸汽參數計算大約可以產生1.2 噸的蒸汽，完全可以滿足平臺日常的蒸汽用量。

一般來說，柴油機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，四沖程中速柴油機的排氣溫度要比一般的大型低速柴油機更高些，基本可以達到400℃以上，而大型低速柴油機為250～380℃，由此可知，四沖程中速柴油機的排氣余熱屬于高品位的能量，且余熱排氣量非常大。根據海洋石油281 柴油機人機界面顯示可以直觀的看到其排氣溫度在出力30%時溫度為380℃，在出力80%時溫度為490℃，由此可見，可利用余地是很大的。

2 海洋鉆井平臺柴油機煙氣利用原理

2.1 海洋鉆井平臺熱量來源現狀

對于渤海灣的鉆井平臺來講，冬季作業因為低溫的影響，對于設備、艙室、管線都需要進行一定的供暖，就目前而言供暖方式主要有燃油鍋爐供暖和電熱風機供暖。燃油鍋爐是以柴油為原料，通過直接燃燒柴油來加熱水變成蒸汽供全船取暖，這種方式會不僅對環境造成污染，而且還多消耗了燃油資源。而電熱風機消耗的是平臺的電能，從根本上講它還是消耗的柴油，而且效率低下。

2.2 柴油機廢氣利用原理分析

根據海洋石油281 柴油機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，柴油機排煙為B 流體，工作質為A 流體。外部供水走殼層，煙氣走管層。

圖2 柴油機排煙B與工作質A經換熱器的路徑示意圖

為了節約成本，可以利用平臺原燃油鍋爐系統的部分功能部件。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。我們暫時將此換熱器稱為蒸汽發生器，發生器建立自己獨立的控制系統，起到自動運行、保護、報警以及與其余系統良好搭配的作用。

3 海洋鉆井平臺柴油機煙氣利用電氣設計

3.1 系統構成

煙氣利用系統主要包括設備如表1 所示。

表1 煙氣利用系統主要設備

3.2 設計理念

根據系統特點，選用西門子S7-200PLC 作為系統控制核心。該方式具有體積小，可靠性高等好處。甚至某些輸入部位發生故障時候，可以通過電腦實施操作，完成相應的作業，在這一點上PLC 具有極大的優勢。

根據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)四臺柴油機排煙管分別安裝一套蒸汽發生器，每個蒸汽發生器配備一個數據采集器，并以RS485 通訊的方式將數據傳送至PLC。(3)將原2 臺鍋爐的PLC以PROFIBUS-DP 的通訊方式與控制PLC 進行通訊。(4)每臺蒸汽發生器安裝如下傳感器：在進氣前段、中斷、后段分別裝設一個量程為1～700℃的耐高溫的溫度傳感器；在發生器供水進口安裝一個壓力傳感器；在蒸汽出口安裝一個溫度傳感；在蒸汽出口安裝一個壓力傳感器；在進發生器前的排煙管上安裝一個排煙壓力傳感器；在出發生器后的排煙管上安裝一個量程為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。

根據上述配置，系統原理圖如圖3 所示。

圖3 系統原理圖

3.3 控制邏輯

根據系統的要求，控制邏輯如圖4 所示。

圖4 系統控制邏輯圖

4 結語

綜上所述，是對于此種技術的簡介及初步設計。可能不是特別成熟，但初步看確實有節能效果，可操作性補覺強。蒸汽不僅可以用于冬季取暖，還可以用于發電。甚至如果使用吸收式制冷中央空調，還可以用于夏天生活區的制冷設備。如果在海洋石油鉆井平臺上推廣這項技術，不僅可以減少資源的消耗量，降低運營成本，還能夠減少環境污染，降低溫室氣體及其余微小顆粒物的排放。此項技術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。