CN101660463B - 用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置 - Google Patents

Abstract

一种用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置包括有蒸汽发生器、汽水分离器、除氧器、集水缸、水处理设备、给水箱及热量使用装置。蒸汽发生器的进气口经管道、阀门与内燃机的尾气输出口连通，蒸汽发生器内螺旋形盘管的输入端与输出端分别连通所述汽水分离器的给水输出端和汽水混合物输入端，汽水分离器的蒸汽输出口连通热量使用装置，同时汽水分离器的给水输入口、热水输出口均连通除氧器，而除氧器又通过管道依次连通水处理设备、给水箱、集水缸，同时集水缸用于收集回收汽水分离器、热量使用装置在运输蒸汽过程中经疏水器排出的凝结水及除氧器产生的凝结水，螺旋形盘管内水、汽的流经方向与所述内燃机输出的尾气流经所述蒸汽发生器的方向相反。

Description

用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置

技术领域

本发明关于一种废热利用与减排装置，尤指一种用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置。

背景技术

目前石油钻井作业大多采用一台或多台内燃机合力带动钻机和泥桨泵，来满足生产动力所需。但除了生产动力所需外，其热能所需主要包括有井台热水吹扫、钻具清洗、各类保温、宿营采暖、洗浴用热、炊事用热等，在以往其热能所需主要靠蒸发量为1T/h的锅炉来满足，这不仅要耗费燃料，同时将造成排放污染。而石油钻井动力燃机在满足了作业中所需的生产动力后，在工作过程中还会产生大量的尾气，并且该尾气的温度在450度以上，若经热交换处理产生蒸汽的话可以产生0.2MPa的饱和蒸汽1T/h，而目前动力燃机的尾气是未予利用直接进行排放，造成了热量的浪费。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种能充分回收利用内燃机排放的尾气热量的废热利用与减排装置。

本发明中用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置包括有蒸汽发生器、汽水分离器、除氧器、集水缸、水处理设备、给水箱及热量使用装置，所述蒸汽发生器的进气口经管道、阀门与内燃机的尾气输出口连通，所述蒸汽发生器内螺旋形盘管的输入端与输出端分别通过管道连通所述汽水分离器的给水输出端和汽水混合物输入端，所述汽水分离器的蒸汽输出口经管道、阀门及疏水器连通所述热量使用装置，同时所述汽水分离器的给水输入口、热水输出口均连通所述除氧器，而所述除氧器又通过管道依次连通所述水处理设备、给水箱、集水缸，同时所述集水缸用于收集回收所述汽水分离器、热量使用装置在运输蒸汽过程中经疏水器排出的凝结水及所述除氧器产生的凝结水，所述螺旋形盘管内水、汽的流经方向与所述内燃机输出的尾气流经所述蒸汽发生器的方向相反。

所述蒸汽发生器包括有密封圆桶形的壳体及设置在所述壳体内部的所述螺旋形盘管，所述壳体的上部、下底部设置有所述出气口和进气口。

所述螺旋形盘管为由一根光钢管连续环绕并交错叠置而成，即由一根光管从里到外，再由从外到里，接着从里到外依次从下往上或从上往下的方式环绕而成，并在上下两端设置有延伸出所述壳体的输入端与输出端。

所述螺旋形盘管由多根相对较短的光管先连续环绕并交错叠置成螺旋形盘管单元，即每根光管从里到外，再由从外到里，接着从里到外依次从下往上或从上往下的方式环绕成所述螺旋形盘管单元，再将每根钢管的首尾端依次焊接密封，形成由多级螺旋形盘管单元串联而成的螺旋形盘管。

所述热量使用装置包括有吹扫喷头、供暖***、管线伴热、罐体保温及蓄热器。

所述蓄热器由多个依次串联的蓄热罐连接而成。

所述疏水器在内部中空部位的一端形成有汽液分离腔室，同时在所述疏水器内部的中空部位形成有用于连通所述汽液分离腔室与外界，且直径由小逐渐增大的至少三级射孔，在所述射孔的一端周围且位于所述汽液分离腔室内形成有迎流锥。

所述射孔位于疏水器最外端的孔径大于等于所述汽液分离腔室的直径。

所述汽水分离器为具有受控水位的在蒸汽压力下的一个容器，该容器不仅能从蒸汽和水的混合物中分离出蒸汽和水，而且能提供热量去预热给水，所述汽水分离器通过内置的固定式叶片***来实现蒸汽和水的分离，使分离后的干蒸汽从所述容器的顶部输出，在所述汽水分离器的边上安装有疏水器，使汽水混合物中分离出的热水返回集水缸，提供预热给水。

本发明中用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置配有自动控制***，可以安全可靠、灵活方便的实现内燃机尾气的热量的充分利用与回收。该控制***功能强大、人机界面友好、可适应恶劣环境的使用。

附图说明

图1为本发明中废热利用与减排装置的示意图；

图2为本发明蒸汽发生器中内盘旋管的结构示意图一；

图3为本发明蒸汽发生器中内盘旋管的结构示意图二；

图4为本发明中疏水器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明中的具体实施例作进一步详细说明。

如图1所示，本发明中用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置包括有蒸汽发生器1、汽水分离器2、除氧器3、集水缸4、水处理设备5、给水箱6、热量使用装置7及连接在管道中的多个阀门8和多个疏水器9。其中：

蒸汽发生器1包括有密封圆桶形的壳体15，在壳体15的上部、下底部分别设置有能使内燃机产生的尾气输出及进入的出气口13与进气口14，同时在壳体15内设置有螺旋形盘管10，如图2和图3所示，该螺旋形盘管10可以由一根光钢管在消除应力后连续环绕并交错叠置而成，即由一根光管从里到外，再由从外到里，接着从里到外依次从下往上或从上往下的方式环绕成，为单根的连续性盘管，并在上、下两端设置有延伸出壳体15外的输入端11与输出端12。利用该特制的螺旋形盘管10可以实现自由膨胀，从而可以与进入壳体15内的尾气进行充分的热交换，充分吸收尾气中的热量，使进入螺旋形盘管10内的水转换成饱和的蒸汽，可以满足生产及生活的各种需求。

本发明中的螺旋形盘管10为了减化加工工艺及能消除应力，也可以由多根相对较短的光管先连续环绕并交错叠置成螺旋形盘管单元，再将每根钢管的首尾端依次焊接密封，从而形成由多级螺旋形盘管单元串联而成的螺旋形盘管。

汽水分离器2为具有受控水位的在蒸汽压力下的一个容器，该容器不仅能从蒸汽和水的混合物中分离出蒸汽和水，而且能提供热量去预热给水，其中预热给水经汽水分离器2的给水输出端21及泵25进入螺旋形盘管10的输入端11，即给水输出端21经泵25与螺旋形盘管10的输入端11连通，预热给水在螺旋形盘管10内与尾气热交换后产生蒸汽与水的混合物，经由输出端12、及与输出端12连通的汽水分离器2的汽水混合物输入端22进入汽水分离器2内，并通过汽水分离器2内置的固定式叶片***实现蒸汽和水的分离，使分离后的干蒸汽从容器的顶部即蒸汽输出口20输出，而分离出的热水经热水输出口23进入除氧器3，为除氧器3预热给水提供所需的热量。同时除氧器3又能将由水处理设备5提供的给水经除氧处理后提供给汽水分离器2的给水输入口24，进入汽水分离器2内，进一步提供给蒸汽发生器1。

在汽水分离器2的蒸汽输出口20外的管道上安装有蒸汽疏水器9，可以分离出蒸汽中的凝结水，蒸汽疏水器9用管道与集水缸4连通，可以回收凝结水，再由集水缸4将回收的凝结水返回到给水箱6，提供***给水，还可用于洗浴用水、炊事用热水、吹扫喷头等生活所需。由于汽水分离器2仅仅使用其分离功能，这对本领域的技术人员来说是容易实现的，因此不再另行说明。

除氧器3为大气热力式除氧，去除氧气和不可冷凝的气体，预热的温度为95℃左右。

集水缸4用于收集各蒸汽疏水器9、热量使用装置7分离出的凝结热水或在使用过程中产生的凝结水。同时除氧器3也备有连接至集水缸4的管路，即集水缸4经管道分别与每个蒸汽疏水器9、热量使用装置7及除氧器3连通。

水处理设备5是向水中加入定量的化学药剂的专用设备，对水进行净化、软化处理，由于此水处理设备5、除氧器3、集水缸4等设备均为现有技术，因此对其结构与原理不再另行说明。

给水箱6用于储存给水，并作为补水的存放设备。给水箱6通过管道、阀门与集水缸4及热量使用装置7连通，用于回收蒸汽输送过程中排出来的凝结水，实现凝结水的回收利用，从而充分利用热能。

热量使用装置7包括有吹扫喷头70、供暖***71、蓄热器72、管线保温73、罐体保温74等等，这些热量使用装置7通过阀门8、管道、集汽缸75与汽水分离器2顶部的蒸汽输出口20连通，使汽水分离器2分离出的干蒸汽用于生产与生活方面的热量所需，而在使用后产生的凝结水直接回到集水缸4或给水箱6。

如图4所示，疏水器9呈中空的圆柱状，在疏水器9内部中空部位的一端形成有汽液分离腔室90，同时在疏水器9内部的中空部位形成有用于连通汽液分离腔室90与连通集水缸4的管道，且直径由小逐渐增大的至少三级射孔91，该射孔91的截面呈圆形，相邻两级射孔之间形成的端面93为倾斜面，便于凝结水的输出。在射孔91的一端周围且位于汽液分离腔室90内形成有迎流锥92。

另，为了能更好的导出凝结水，可以使射孔91位于疏水器9最外端的孔径大于等于汽液分离腔室90的直径，以及为了进一步增加汽液分离腔室90内蒸汽的压力，可以在汽液分离腔室90的内底部沿周壁形成有扩压槽94。

在疏水器9与蒸汽输送主管道之间可以连接有一过滤器111，该过滤器111与疏水器9之间可以是法兰、螺纹等可拆卸的连接，也可以是焊接接口等固定连接。同时疏水器9也可以直接通过法兰、螺纹等与汽水分离器2可拆卸的连接，也可以是焊接接口等固定连接。该过滤器111呈Y形，在Y形的分支101中设置有能够拆卸、并进行清洗的过滤网110。

本发明中的废热利用与减排装置将来自动力内燃机的尾气进入蒸汽发生器1的壳体后，在尾气压力和自生通风力的作用下，从壳体自下而上流经蒸汽发生器1，且尾气在内置的螺旋形盘管10的作用下形成强有力的湍流流动，消除跗面层的影响，增大换热系数。同时，在扩容与弹性降噪的作用下降低噪音。

在尾气输入蒸汽发生器1的同时给水箱6往水处理设备5给水，由水处理设备5进行软化处理后进入除氧器3，由除氧器3对给水进行预热并作除氧处理，使给水温度在95℃左右，经除氧器3除氧后的预热给水进入汽水分离器2，进一步进入蒸汽发生器1的螺旋形盘管10，与尾气进行逆流换热，预热给水在螺旋形盘管10中形成双旋涡流，进一步强化换热。在螺旋形盘管10内获得充分热量的水形成饱和的蒸汽与水的混合物，重新进入汽水分离器2，在汽水分离器2内部固定式叶片***的作用下分离出饱和蒸汽，由顶部蒸汽输出口20进入热量使用装置7，即可以分别供给吹扫喷头70、设备保温71、以及蓄热器72。其中吹扫主要用于井台吹扫、泥浆配料、清扫钻具与套管丝扣、清扫接头、大钳、闸阀等油污、清扫钻具游动***设备油污及液控***清扫。同时，对钻井平台控制与操作室供暖、对储备油罐加热保温、对压缩空气罐、管路、生产用水罐及管线进行保温、防冻。而在蓄热工况下，由汽水分离器2输出来的蒸汽也可以进入高温蓄热器72，该蓄热器72可以由多个蓄絷热罐依次串联形成蓄热器组，对热量进行储存，而在需要时再进行利用。

另，本发明中用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置还进一步包括有在应急状态时能够临时使用的电热蒸汽发生器30，以便在尾气供应不足或停止时可以临时起用。

本发明中还配有自动控制***，可实现无人值守。

综上所述，本发明中的废热利用与减排装置可以有效地实现热量的回收利用。

Claims (10)

1.一种用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置，其包括有蒸汽发生器、汽水分离器、除氧器、集水缸、水处理设备、给水箱及热量使用装置，其特征在于，所述蒸汽发生器的进气口经管道、阀门与内燃机的尾气输出口连通，所述蒸汽发生器内螺旋形盘管的输入端与输出端分别通过管道连通所述汽水分离器的给水输出端和汽水混合物输入端，所述汽水分离器的蒸汽输出口经管道、阀门及疏水器连通所述热量使用装置，同时所述汽水分离器的给水输入口、热水输出口均连通所述除氧器，而所述除氧器又通过管道依次连通所述水处理设备、给水箱、集水缸，同时所述集水缸用于收集回收所述汽水分离器、热量使用装置在运输蒸汽过程中经疏水器排出的凝结水及所述除氧器产生的凝结水，所述螺旋形盘管内水、汽的流经方向与所述内燃机输出的尾气流经所述蒸汽发生器的方向相反。

2.根据权利要求1所述的用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置，其特征在于，所述蒸汽发生器包括有密封圆桶形的壳体及设置在所述壳体内部的所述螺旋形盘管，所述壳体的上部、下底部设置有所述出气口和进气口。

3.根据权利要求2所述的用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置，其特征在于，所述螺旋形盘管为由一根光钢管连续环绕并交错叠置而成，即由一根光管从里到外，再由从外到里，接着从里到外依次从下往上或从上往下的方式环绕而成，并在上下两端设置有延伸出所述壳体的输入端与输出端。

4.根据权利要求2所述的用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置，其特征在于，所述螺旋形盘管由多根相对较短的光管先连续环绕并交错叠置成螺旋形盘管单元，即每根光管从里到外，再由从外到里，接着从里到外依次从下往上或从上往下的方式环绕成所述螺旋形盘管单元，再将每根钢管的首尾端依次焊接密封，形成由多级螺旋形盘管单元串联而成的螺旋形盘管。

5.根据权利要求1所述的用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置，其特征在于，所述热量使用装置包括有吹扫喷头、供暖***、管线伴热、罐体保温及蓄热器。

6.根据权利要求5所述的用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置，其特征在于，所述蓄热器由多个依次串联的蓄热罐连接而成。

7.根据权利要求1所述的用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置，其特征在于，所述疏水器在内部中空部位的一端形成有汽液分离腔室，同时在所述疏水器内部的中空部位形成有用于连通所述汽液分离腔室与外界，且直径由小逐渐增大的至少三级射孔，在所述射孔的一端周围且位于所述汽液分离腔室内形成有迎流锥。

8.根据权利要求7所述的用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置，其特征在于，所述射孔位于疏水器最外端的孔径大于等于所述汽液分离腔室的直径。

9.根据权利要求7所述的用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置，其特征在于，所述汽水分离器为具有受控水位的在蒸汽压力下的一个容器，该容器不仅能从汽水混合物中分离出蒸汽和水，而且能够提供热量用于预热给水，该汽水分离器通过内置的固定式叶片***来实现蒸汽和水的分离，使分离后的干蒸汽从所述容器的顶部输出，在所述汽水分离器的边上安装有疏水器，使蒸汽中分离出的热水返回集水缸，提供预热给水。

10.根据权利要求1所述的用于石油钻井动力燃机尾气的废热利用与减排装置，其特征在于，还进一步包括有在应急状态时能够临时使用的电热蒸汽发生器。

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