導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)常見問題探討

陳玉梅 李尹建 周 暉 楊 泉

中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

近年來，導(dǎo)熱油加熱爐供熱系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，使用數(shù)量也成倍增加。導(dǎo)熱油能在較低壓力下獲得較高溫度，有較好的熱穩(wěn)定性；但也易燃且滲透性強(qiáng)，一旦泄露易引起火災(zāi)事故。因此，為了使導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，無論在設(shè)計(jì)制造上，還是在安裝使用上，每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

1 導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)簡介及特點(diǎn)

1.1 簡介

導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)屬于間接加熱，燃料在爐內(nèi)進(jìn)行充分燃燒并通過輻射、對(duì)流方式傳遞給管內(nèi)流動(dòng)的作為加熱介質(zhì)的導(dǎo)熱油；導(dǎo)熱油獲得熱量后用循環(huán)系統(tǒng)送至用熱設(shè)備，導(dǎo)熱油與用熱介質(zhì)進(jìn)行充分換熱后重新進(jìn)入熱油爐加熱，如此往復(fù)循環(huán)將熱能源源不斷地傳遞給用熱介質(zhì)。

1.2 特點(diǎn)

a）導(dǎo)熱油具有較高的熱容量和較低黏度，在常壓下導(dǎo)熱油的初餾點(diǎn)比水的蒸發(fā)溫度要高出數(shù)倍。以高溫傳熱用導(dǎo)熱油代替水蒸氣，就能以低壓供熱系統(tǒng)取代高壓供熱系統(tǒng)，降低設(shè)備和管道投資。導(dǎo)熱油可提供350 ℃高溫?zé)嵩炊鴫毫χ挥?.5～0.8 MPa，系統(tǒng)安全性非常高。

b）導(dǎo)熱油很穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)熱油爐爐管造成腐蝕；不需要采取復(fù)雜的處理過程，長時(shí)間運(yùn)行不易分解。

c）一套導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)可同時(shí)提供不同的用熱設(shè)備，并可根據(jù)用熱端熱負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)熱量分配，尤其適合大型供熱系統(tǒng)。

d）相比蒸汽系統(tǒng)，導(dǎo)熱油系統(tǒng)不需要大量的水處理設(shè)備，維護(hù)費(fèi)用低、系統(tǒng)簡單、輸送方便［1］。

e）一套導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)可提供不同溫度段熱源（雙溫位或多溫位熱源），不僅滿足了熱用戶對(duì)熱媒參數(shù)的不同要求，且每個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置熱油循環(huán)泵、環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)流量和揚(yáng)程的分解，節(jié)省了電耗，提高了泵效，節(jié)約了能源。在導(dǎo)熱油爐供回油溫差允許的情況下系統(tǒng)可擴(kuò)展為多溫位多泵的分布式供熱系統(tǒng)［2］。

2 導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)常見問題

保證導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)的安全運(yùn)行是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提條件，為熱用戶提供符合供熱品質(zhì)要求的熱源是最終目的。筆者結(jié)合工程實(shí)例就導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝的有關(guān)問題作如下探討。

2.1 正確選擇導(dǎo)熱油

根據(jù)導(dǎo)熱油的特定使用條件，所選用的導(dǎo)熱油必須符合一定的技術(shù)要求，須考慮的要點(diǎn)是較低的黏度，優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，盡可能高的閃點(diǎn)，良好的熱傳導(dǎo)性能，無腐蝕、無毒、不易燃，使用后的廢棄油品易于處理［3］。

由于導(dǎo)熱油的低溫黏度會(huì)影響到導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)在可能的最低溫度條件下的啟動(dòng)，尤其當(dāng)系統(tǒng)或設(shè)備處于室外且沒有輔助加熱條件時(shí)，導(dǎo)熱油的低溫黏度顯得尤為重要，故其黏度應(yīng)能滿足系統(tǒng)在特定低溫條件下啟動(dòng)的基本要求。導(dǎo)熱油的工作黏度對(duì)其在管道中的流動(dòng)性質(zhì)、流動(dòng)阻力大小有重要影響，導(dǎo)熱油的適當(dāng)黏度和管內(nèi)流動(dòng)的紊流狀態(tài)可以加強(qiáng)熱交換效果。

導(dǎo)熱油的熱穩(wěn)定性對(duì)于供熱系統(tǒng)的操作安全性具有重要的意義。一般情況下，大多數(shù)導(dǎo)熱油都是混合物質(zhì)，由于其中低沸點(diǎn)物質(zhì)會(huì)在正常操作條件下被蒸發(fā)，這些低沸點(diǎn)物質(zhì)還會(huì)降低導(dǎo)熱油的黏度和閃點(diǎn)，并對(duì)其傳熱性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，故導(dǎo)熱油中的低沸點(diǎn)物質(zhì)必須被排出。如果導(dǎo)熱油的操作溫度繼續(xù)升高，其中高沸點(diǎn)物質(zhì)將會(huì)發(fā)生“縮聚”，從而產(chǎn)生一些高黏度物質(zhì)，這些膠（焦）質(zhì)狀物質(zhì)會(huì)粘附（沉積）在管道和換熱設(shè)備的換熱面上，嚴(yán)重影響設(shè)備的換熱效果和供熱系統(tǒng)的循環(huán)。

另外，在導(dǎo)熱油使用溫度選擇上，導(dǎo)熱油的最高使用溫度必須高于導(dǎo)熱油爐設(shè)計(jì)規(guī)定的供熱溫度，并高于導(dǎo)熱油爐中任一受熱面部位的導(dǎo)熱油可能達(dá)到的最高實(shí)際工作溫度。一般來說，生產(chǎn)工藝中的用熱溫度必須低于導(dǎo)熱油設(shè)計(jì)供熱溫度＞20 ℃。液相爐運(yùn)行中進(jìn)出口油溫差一般應(yīng)控制在20～40 ℃，不宜＞60 ℃。

2.2 推薦流速

SY/T 0524-2008《導(dǎo)熱油加熱爐系統(tǒng)規(guī)范》第6.1.4條規(guī)定：為防止?fàn)t管中導(dǎo)熱油過熱分解與積碳，輻射管導(dǎo)熱油流速不應(yīng)小于2 m/s，對(duì)流管導(dǎo)熱油流速不應(yīng)小于1.5 m/s［4］。有機(jī)熱載體（導(dǎo)熱油）在受熱面管內(nèi)流動(dòng)會(huì)形成邊界層，其厚度會(huì)影響邊界層的介質(zhì)溫度。邊界層越厚，該處介質(zhì)溫度與主流溫度之差越大，使邊界超溫，導(dǎo)致導(dǎo)熱油分解、聚合成膠質(zhì)，形成殘?zhí)汲练e于管壁。殘?zhí)歼M(jìn)一步惡化傳熱，加速導(dǎo)熱油變質(zhì)、失效。邊界層厚薄與流體在管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。流體力學(xué)理論認(rèn)為，雷諾數(shù)Re≤2 230 時(shí)，管內(nèi)呈層流；Re＞2 230 時(shí)，管內(nèi)呈紊流。形成紊流狀態(tài)才能獲得較薄邊界層。

若導(dǎo)熱油流速過高，受熱面管內(nèi)阻力則過大。以某工程設(shè)計(jì)為例，導(dǎo)熱油爐受熱管管徑為定值，導(dǎo)熱油爐進(jìn)出導(dǎo)熱油溫差較小，在一定換熱量下循環(huán)油量較大，致使管內(nèi)導(dǎo)熱油流速高達(dá)3 m/s，實(shí)測導(dǎo)熱油爐本體水力損失已高達(dá)0.4 MPa。實(shí)踐證明，導(dǎo)熱油流速達(dá)到1.5～3.0 m/s，雷諾數(shù)2 230＜Re≤4 000 時(shí)，導(dǎo)熱油在受熱面管內(nèi)呈紊流狀態(tài)，既可得到較薄邊界層，強(qiáng)化傳熱，降低邊界層溫度，又不會(huì)有過大阻力。受熱面的熱負(fù)荷強(qiáng)度不同，管內(nèi)導(dǎo)熱油流速要求也不一樣。輻射段管內(nèi)流速≥2 m/s，對(duì)流段管內(nèi)流速≥1.5 m/s，符合實(shí)際。

2.3 膨脹罐安裝位置

膨脹罐有儲(chǔ)存導(dǎo)熱油受熱膨脹量、補(bǔ)充導(dǎo)熱油、排除系統(tǒng)中氣體、置換熱介質(zhì)的作用，是導(dǎo)熱油爐系統(tǒng)中的重要安全裝置。

《有機(jī)熱載體爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》［5］第21 條4款規(guī)定：膨脹罐一般不得安裝在有機(jī)熱載體爐的正上方，以防因膨脹而噴出的有機(jī)熱載體引起火災(zāi)。膨脹罐的底部與有機(jī)熱載體爐頂部的垂直距離應(yīng)不小于1.5 m，該點(diǎn)只是針對(duì)安全要求而言；但膨脹罐一般由獨(dú)立的鋼架托起，托起高度為導(dǎo)熱油通過最高點(diǎn)1 m以上，主要為穩(wěn)定系統(tǒng)循環(huán)，并吸收因?qū)嵊蜏囟鹊纳叨a(chǎn)生的體積膨脹量；同時(shí)對(duì)循環(huán)泵的入口加壓，防止泵的汽蝕。

《有機(jī)熱載體爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》［5］第21 條6款規(guī)定：膨脹罐和膨脹管不得采取保溫措施，膨脹罐內(nèi)的有機(jī)熱載體的溫度不應(yīng)小于70 ℃。其目的是防止導(dǎo)熱油高溫氧化。導(dǎo)熱油的氧化速度與溫度有關(guān)，＜70 ℃時(shí)，氧化不明顯，＞100 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，導(dǎo)熱油氧化速度加快，并迅速失效。

導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)在開始投運(yùn)的脫氣過程中，一般是熱油經(jīng)過膨脹罐，使系統(tǒng)內(nèi)氣體通過膨脹罐排氣閥排出，這時(shí)溫度＞70 ℃?！队袡C(jī)熱載體爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》［5］對(duì)高溫的限制是為了避免導(dǎo)熱油在高溫狀態(tài)下出現(xiàn)高溫氧化，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將膨脹罐設(shè)計(jì)為封閉容器，氣相空間應(yīng)采用氮?dú)飧采w，以避免高溫導(dǎo)熱油與空氣接觸。

新疆塔里木地區(qū)缺少水資源，為減少水資源的浪費(fèi)，供熱系統(tǒng)常采用導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)。筆者所設(shè)計(jì)的幾個(gè)工程中，導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)都采取閉式循環(huán)，且對(duì)膨脹罐和儲(chǔ)油罐均設(shè)氮?dú)飧采w系統(tǒng)，運(yùn)行多年，每年取樣檢驗(yàn)，導(dǎo)熱油的品質(zhì)均無變化。經(jīng)調(diào)研，該地區(qū)的導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)如果均未對(duì)膨脹罐和儲(chǔ)油罐設(shè)氮封保護(hù)系統(tǒng)或氮封運(yùn)行效果不可靠，導(dǎo)熱油的品質(zhì)都會(huì)出現(xiàn)不同程度的變質(zhì)。

在實(shí)際應(yīng)用中，可采用“液封”，保證膨脹罐、儲(chǔ)油罐的內(nèi)導(dǎo)熱油與空氣的接觸。該方式容易實(shí)現(xiàn)，避免了氮?dú)庀暮鸵虻庀到y(tǒng)控制失效而導(dǎo)致的油品變質(zhì)。

2.4 儲(chǔ)油罐容積

儲(chǔ)油罐有存儲(chǔ)來自系統(tǒng)的導(dǎo)熱油，實(shí)現(xiàn)二次油汽（氣）分離及排氣，提供系統(tǒng)所需補(bǔ)充的導(dǎo)熱油，排除水分，冷卻熱油等作用。導(dǎo)熱油儲(chǔ)油罐應(yīng)盡可能放在加熱系統(tǒng)最低位，以便放凈系統(tǒng)中的導(dǎo)熱油?！队袡C(jī)熱載體爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》［5］第22 條1 款規(guī)定：儲(chǔ)油罐的容積應(yīng)不小于有機(jī)熱載體爐中有機(jī)熱載體總量的1.2 倍。在進(jìn)行維護(hù)檢修時(shí)，需將導(dǎo)熱油爐本體、用熱設(shè)備、管路及附件內(nèi)的導(dǎo)熱油全部放盡，因此儲(chǔ)油罐容積應(yīng)能接收系統(tǒng)最大隔離空間的導(dǎo)熱油。

2.5 管路系統(tǒng)

2.5.1 增設(shè)旁路調(diào)節(jié)的必要性

當(dāng)用熱設(shè)備減少，系統(tǒng)熱負(fù)荷降低時(shí)，導(dǎo)熱油的循環(huán)流量也隨之減少。若不及時(shí)調(diào)節(jié)，將造成受熱面管內(nèi)導(dǎo)熱油流速過低的問題。因此，導(dǎo)熱油爐供、回油總管之間應(yīng)裝設(shè)循環(huán)旁路管道及調(diào)節(jié)閥。根據(jù)用戶端的熱負(fù)荷變化，自動(dòng)調(diào)整調(diào)節(jié)閥的開度，保證導(dǎo)熱油爐內(nèi)所需的循環(huán)流量（爐內(nèi)盤管定流量），維持爐內(nèi)盤管導(dǎo)熱油流速為設(shè)計(jì)流速，避免出現(xiàn)因盤管內(nèi)流速過低使盤管內(nèi)導(dǎo)熱油過熱而結(jié)焦，影響使用壽命。

2.5.2 管路的嚴(yán)密性

雖然一般導(dǎo)熱油的閃點(diǎn)、燃點(diǎn)和自燃點(diǎn)較高，但仍屬于可燃物質(zhì)，其滲透性極強(qiáng)。由于自身溫度高，又接近火焰，當(dāng)導(dǎo)熱油爐循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)泄漏或滲出的油氣達(dá)到一定量時(shí)，就會(huì)被點(diǎn)燃或自燃，造成火災(zāi)。因此導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)必須防泄漏。在設(shè)計(jì)過程中，可以采取以下措施預(yù)防泄漏［6］：

a）管道應(yīng)采用焊接連接，必須使用法蘭連接時(shí)，應(yīng)采用公稱壓力≥1.6 MPa 的榫槽式法蘭、平焊鋼法蘭或凹凸式法蘭，其墊片采用金屬網(wǎng)纏繞石墨墊片或膨脹石墨復(fù)合墊片作密封材料，以帶內(nèi)外加強(qiáng)環(huán)結(jié)構(gòu)型式最為適宜。

b）所有與導(dǎo)熱油接觸的管道應(yīng)采用20＃ 無縫鋼管，管道及附件不得采用鑄鐵或有色金屬制造。安裝施工中，所有焊縫需試壓檢漏。

c）導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)中使用的閥門應(yīng)耐油、耐高溫、抗?jié)B透、耐壓且具備高熱強(qiáng)度。普通截止閥因結(jié)構(gòu)原因，密封墊片和填料往往不能滿足導(dǎo)熱油高溫工作時(shí)的防滲透要求，易造成泄漏，因此，選用防漏性能較好的改進(jìn)型波紋管截止閥。

2.5.3 管路系統(tǒng)試壓

通常導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)的工作壓力＜0.6 MPa，故導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)的管路壓力試驗(yàn)，宜采用空氣試壓。工程上通常用水對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行試壓，但由于水壓試驗(yàn)后不易將水排除干凈，殘余水分會(huì)因急劇受熱大量蒸發(fā)汽化，造成油路汽塞、循環(huán)不暢，引起暴沸噴油事故，危及安全運(yùn)行。若導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，則需在試驗(yàn)后將系統(tǒng)管路中的水徹底排干凈，并應(yīng)用壓縮空氣吹干系統(tǒng)，避免在系統(tǒng)內(nèi)的管線低點(diǎn)、死角處留水。

2.6 系統(tǒng)運(yùn)行

2.6.1 系統(tǒng)脫水排氣及升溫

水分對(duì)導(dǎo)熱油來說是一種污染，每一種新導(dǎo)熱油都或多或少的存在一些水分，新導(dǎo)熱油的水分含量一般控制在300×10-6以下，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如果水分含量過高，會(huì)引起循環(huán)泵氣蝕，系統(tǒng)壓力上升，導(dǎo)致不必要的排放。因此“脫水操作”十分關(guān)鍵，“脫水操作”一般是通過高位膨脹罐進(jìn)行，操作時(shí)首先使導(dǎo)熱油循環(huán)到系統(tǒng)所有部位，然后逐步升溫至100℃；當(dāng)導(dǎo)熱油溫度升至100 ℃時(shí)，維持此溫度循環(huán)2～3 h，以脫除系統(tǒng)中可能殘存的水。系統(tǒng)流量壓力穩(wěn)定后，排氣基本結(jié)束［6］。

確認(rèn)系統(tǒng)中無水存在，并在工藝主體裝置允許時(shí)，才可繼續(xù)為導(dǎo)熱油升溫。用熱設(shè)備見液位后，在各級(jí)流量、壓力穩(wěn)定后，逐步升高系統(tǒng)溫度，直到最高需求溫度。升溫速度通過調(diào)節(jié)溫度控制器以每10 ℃為1次增量升溫。每次升溫前，對(duì)其內(nèi)部的導(dǎo)熱油還未形成流動(dòng)的設(shè)備，應(yīng)適當(dāng)調(diào)試閥門，使其內(nèi)部的導(dǎo)熱油加入到循環(huán)系統(tǒng)中，參與循環(huán)加熱以蒸發(fā)脫水。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)導(dǎo)熱油組分中的低沸點(diǎn)物質(zhì)產(chǎn)生的油品蒸氣應(yīng)通過系統(tǒng)設(shè)置的油氣分離器排放；也可設(shè)置排氣流程，系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，定期打開輔助排氣閥，通過高位膨脹罐隨氮?dú)庖黄鹋欧牛ＷC系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.6.2 系統(tǒng)補(bǔ)油

導(dǎo)熱油在運(yùn)行過程中有自然損耗，要注意及時(shí)補(bǔ)加，保證液相爐高位膨脹罐中的液位。在添加新導(dǎo)熱油時(shí)，注意脫除新導(dǎo)熱油中的微量水分。不可貿(mào)然將溫度升到＞100 ℃，否則會(huì)因突然超壓引起爆沸使導(dǎo)熱油大量流失，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)故軌涸屏?。在熱態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)內(nèi)，不能直接加入未經(jīng)脫水的冷介質(zhì)。另添加新導(dǎo)熱油時(shí)，應(yīng)添加同一品種油品，不同物性的油不能混合使用［7］。

2.6.3 系統(tǒng)停運(yùn)

液體爐依靠循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán)，導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)應(yīng)先停加熱爐燃燒器，循環(huán)泵繼續(xù)運(yùn)行，直至系統(tǒng)導(dǎo)熱油的溫度降至＜100 ℃，才可以停止循環(huán)泵運(yùn)行。如一旦發(fā)生停電，循環(huán)泵停運(yùn)時(shí)，要及時(shí)采取措施，避免盤管內(nèi)導(dǎo)熱油因不流動(dòng)而超溫（因?yàn)榇藭r(shí)爐膛內(nèi)的紅火與爐墻的高溫輻射足以使受熱面溫度升高）。如果沒有自備電源或不能立即啟動(dòng)循環(huán)泵，應(yīng)當(dāng)先打開爐門，打開高位膨脹罐與爐體的連接閥門，讓高位膨脹罐內(nèi)冷油流入爐內(nèi)盤管，同時(shí)可將爐內(nèi)熱油放入低位儲(chǔ)罐，必要時(shí)用手搖泵將低位槽的油抽向高位膨脹罐，保持爐內(nèi)油的流動(dòng)，直至爐膛溫度＜300 ℃，油出口溫度降至＜100 ℃為止［7］。

3 結(jié)論

為保證導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)的安全運(yùn)行，除了要認(rèn)真學(xué)習(xí)并貫徹執(zhí)行 《有機(jī)熱載體爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、SY/T 0524-2008 《導(dǎo)熱油加熱爐系統(tǒng)規(guī)范》、GB 23971-2009《有機(jī)熱載體》外，還要注意在貫徹標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的過程中，需處理好標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與實(shí)際相結(jié)合的問題，結(jié)合工程實(shí)際情況，對(duì)熱循環(huán)系統(tǒng)全盤考慮，設(shè)計(jì)出安全、合理、經(jīng)濟(jì)，令顧客滿意的導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)。

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