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基于PLC的海洋钻井平台柴油机废热利用系统研究赵超

发表时间：2020/8/4 来源：《论证与研究》2020年6期作者：赵超

[导读] 摘要：能源与环境问题时刻受到世界各国的关注，我国现在在节能与环保方面出台了多项政策来推进工作的开展，企业也在不断寻求提高能源利用率的途径，我国近几年不断提高排放标准，节能减排已经成为社会各界的主旋律。燃油消耗成本历来是海洋钻井平台营运成本的重要组成部分。降低燃油消耗是企业降本减费工作的重要内容之一。随着我国对海洋油气开发的重视，海洋石油钻井平台数量近几年迅速增长。海洋钻井作业具有其特殊性，必须探索

                                                           赵超
                                (中海油田服务股份有限公司广东省深圳市 518000)
        摘要：能源与环境问题时刻受到世界各国的关注，我国现在在节能与环保方面出台了多项政策来推进工作的开展，企业也在不断寻求提高能源利用率的途径，我国近几年不断提高排放标准，节能减排已经成为社会各界的主旋律。燃油消耗成本历来是海洋钻井平台营运成本的重要组成部分。降低燃油消耗是企业降本减费工作的重要内容之一。随着我国对海洋油气开发的重视，海洋石油钻井平台数量近几年迅速增长。海洋钻井作业具有其特殊性，必须探索出自身的节油途径。本文尝试从柴油机废热利用的因素和人员操作方面，提出节油的方法。
        关键词：PLC；石油钻井；柴油机；废热利用系统
        1 海洋钻井平台柴油机能量分析
        1.1 钻井平台柴油机效率分析
        据我了解渤海湾自升式钻井平台所使用的柴油及基本上都是美国卡特彼勒的CAT 3512B和CAT3516B两型的柴油机。以海洋石油281为例，其有4台CAT 3512B柴油发电机组，通过手册查询到：CAT 3512B柴油发电机组的比油耗为：n=211g/kW•h=0.211kg/kW•h，柴油的热值为柴油的热值：m=46.04MJ/kg；每度电的热值为：k=3.6MJ/kW•h。
        通过计算CAT 3512B柴油发电机组效率η：

         由此可以看出CAT 3512B柴油发电机组对于柴油的利用率只有37.06%。
         1.2 柴油机组能力构成
         查询经验资料获知，柴油机的能量分配为如图1所示。

          图1 柴油机的能量分配示意图
          由图1可以看出，根据上图所示海洋石油281的柴油机CAT 3512B剩余的63%的能量由排烟带走大约30%，由海水通过海水冷却器带走大约30%。
          1.3 柴油机排烟能量分析
          通过上述内容我们可以看到，柴油机排烟所含的能力基本上接近其所发电量的能量，由此可见其所含能量是非常巨大的，按照正常作业时出力80%时，发电量为960kW•h，那么排烟所含能量约为900kW•h电量所含的能量，根据每度电的热值为：k=3.6MJ/kW•h，可以计算出排烟每小时所含能力为3.6×900=3240MJ。按照海洋石油281的常用蒸汽参数计算大约可以产生1.2吨的蒸汽，完全可以满足平台日常的蒸汽用量。
          一般来说，柴油机的排气都不是高温余热或者低温余热，主要是属于中温余热，四冲程中速柴油机的排气温度要比一般的大型低速柴油机更高些，基本可以达到400℃以上，而大型低速柴油机为250～380℃，由此可知，四冲程中速柴油机的排气余热属于高品位的能量，且余热排气量非常大。根据海洋石油281柴油机人机界面显示可以直观的看到其排气温度在出力30%时温度为380℃，在出力80%时温度为490℃，由此可见，可利用余地是很大的。
          2 海洋钻井平台柴油机烟气利用原理
          2.1 海洋钻井平台热量来源现状
          对于渤海湾的钻井平台来讲，冬季作业因为低温的影响，对于设备、舱室、管线都需要进行一定的供暖，就目前而言供暖方式主要有燃油锅炉供暖和电热风机供暖。燃油锅炉是以柴油为原料，通过直接燃烧柴油来加热水变成蒸汽供全船取暖，这种方式会不仅对环境造成污染，而且还多消耗了燃油资源。而电热风机消耗的是平台的电能，从根本上讲它还是消耗的柴油，而且效率低下。
          2.2 柴油机废气利用原理分析
         根据海洋石油281柴油机排烟管的形式最好的换热器选择就是管壳式换热器。如图2所示，柴油机排烟为B流体，工作质为A流体。外部供水走壳层，烟气走管层。

         图2 柴油机排烟B与工作质A经换热器的路径示意图
         为了节约成本，可以利用平台原燃油锅炉系统的部分功能部件。包括锅炉水处理装置，供水泵、蒸汽管线、汽液分离器、疏水器等。我们暂时将此换热器称为蒸汽发生器，发生器建立自己独立的控制系统，起到自动运行、保护、报警以及与其余系统良好搭配的作用。
         3 海洋钻井平台柴油机烟气利用电气设计
         3.1 系统构成
         烟气利用系统主要包括设备如表1所示。
         表1 烟气利用系统主要设备

         3.2 设计理念
         根据系统特点，选用西门子S7-200PLC作为系统控制核心。该方式具有体积小，可靠性高等好处。甚至某些输入部位发生故障时候，可以通过电脑实施操作，完成相应的作业，在这一点上PLC具有极大的优势。
         根据该船需要做出如下方案：(1)采用西门子S7-200PLC作为主站，放置在集控室位置。(2)四台柴油机排烟管分别安装一套蒸汽发生器，每个蒸汽发生器配备一个数据采集器，并以RS485通讯的方式将数据传送至PLC。(3)将原2台锅炉的PLC以PROFIBUS-DP的通讯方式与控制PLC进行通讯。(4)每台蒸汽发生器安装如下传感器：在进气前段、中断、后段分别装设一个量程为1～700℃的耐高温的温度传感器；在发生器供水进口安装一个压力传感器；在蒸汽出口安装一个温度传感；在蒸汽出口安装一个压力传感器；在进发生器前的排烟管上安装一个排烟压力传感器；在出发生器后的排烟管上安装一个量程为1～500℃排烟温度传感器。(5)其供电方式采用又锅炉配电箱直接供电，由锅炉配电箱直接将380V、50Hz的三相交流电直接供至其配电箱。
         根据上述配置，系统原理图如图3所示。

         图3 系统原理图
         3.3 控制逻辑
         根据系统的要求，控制逻辑如图4所示。

         图4 系统控制逻辑图
         4 结语
         综上所述，是对于此种技术的简介及初步设计。可能不是特别成熟，但初步看确实有节能效果，可操作性补觉强。蒸汽不仅可以用于冬季取暖，还可以用于发电。甚至如果使用吸收式制冷中央空调，还可以用于夏天生活区的制冷设备。如果在海洋石油钻井平台上推广这项技术，不仅可以减少资源的消耗量，降低运营成本，还能够减少环境污染，降低温室气体及其余微小颗粒物的排放。此项技术非常符合中海油提出的降本增效、绿色低碳的理念，适合大面积的推广使用。
        参考文献:
         [1]袁任光林由娟.柴油发电机组与柴油机实用技术手册[M].北京：机械工业出版社，2006.2:72-73.
         [2]王安忠，孙洁，郝利华.钻井用柴油机的高效匹配与使用[J].内燃机与动力装置，2009(4):42-44.