石油化工行業(yè)大型液相導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

齊魯山，孫惠山

(中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司 熱工，山東 青島 266071)

對(duì)于煉廠中各用熱生產(chǎn)裝置及需維溫的油品儲(chǔ)罐等有較高用熱溫度需求、不宜采用水蒸汽加熱的工況或水資源緊缺的情況下，導(dǎo)熱油以其低壓高溫、運(yùn)行穩(wěn)定、使用安全等特點(diǎn)，得到廣泛采用[1]。與蒸汽供熱還需要增上除氧、除鹽等等一系列龐雜的化學(xué)水處理系統(tǒng)以滿足鍋爐產(chǎn)汽的技術(shù)指標(biāo)相比，導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)能在較低的系統(tǒng)壓力下獲得理想的高溫位供熱需求，減少了加熱系統(tǒng)的材料用量和設(shè)備維護(hù)量、降低了初投資和運(yùn)營(yíng)成本。隨著煉廠規(guī)模的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)也越來(lái)越大，系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行又具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是項(xiàng)目中需重點(diǎn)解決的問(wèn)題[2]。本文就大型液相高溫導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可能會(huì)出現(xiàn)的一些技術(shù)問(wèn)題、主要設(shè)備及材料選型、配置等方面進(jìn)行了深入的探討，以供廣大導(dǎo)熱油供熱用戶及同行參考。

1 典型系統(tǒng)流程

導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)由循環(huán)熱媒系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)、燃燒及煙風(fēng)系統(tǒng)等組成[3]。包含的主要設(shè)備：熱用戶設(shè)備、導(dǎo)熱油爐本體、注油泵、鼓風(fēng)機(jī)、循環(huán)油泵、高位膨脹罐、循環(huán)風(fēng)機(jī)(視環(huán)保要求)、儲(chǔ)油罐、各類儀表閥門(mén)設(shè)備等等。

圖1 典型工藝流程

典型的工藝流程：注油泵將導(dǎo)熱油槽車(chē)內(nèi)的導(dǎo)熱油管輸?shù)礁呶慌蛎浌迌?nèi)，導(dǎo)熱油通過(guò)膨脹罐的液位差注入整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)注滿導(dǎo)熱油后，熱油循環(huán)泵啟動(dòng)使導(dǎo)熱油在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，部分導(dǎo)熱油溢流進(jìn)入儲(chǔ)油罐。最后，保持儲(chǔ)油罐內(nèi)有一定量的導(dǎo)熱油存儲(chǔ)量作為系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程中因排氣等損耗引起的導(dǎo)熱油補(bǔ)充充注。

啟動(dòng)導(dǎo)熱油爐的燃燒系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)導(dǎo)熱油，逐步使導(dǎo)熱油的供油溫度升高到使用溫度(按照導(dǎo)熱油爐升溫曲線操作)。所供導(dǎo)熱油在用熱設(shè)備內(nèi)釋放熱量后返回導(dǎo)熱油爐，經(jīng)導(dǎo)熱油循環(huán)泵加壓后送入導(dǎo)熱油爐內(nèi)再加熱，如此循環(huán)。

在系統(tǒng)循環(huán)初期，導(dǎo)熱油自常溫加熱至正常運(yùn)行溫度，整個(gè)系統(tǒng)膨脹量通過(guò)膨脹管進(jìn)入高位膨脹罐溢流至儲(chǔ)油罐。系統(tǒng)正常運(yùn)行后所產(chǎn)生的氣體經(jīng)油氣分離器分離后亦排入高位膨脹罐，同時(shí)，因跑、冒、滴、漏而損失的導(dǎo)熱油則通過(guò)膨脹罐及時(shí)向系統(tǒng)補(bǔ)充，高位膨脹罐對(duì)整個(gè)系統(tǒng)定壓。典型工藝流程如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算及應(yīng)注意的問(wèn)題

2.1 導(dǎo)熱油爐

導(dǎo)熱油爐是否設(shè)置備用應(yīng)根據(jù)是否滿足生產(chǎn)需要，由熱用戶論證后確定。導(dǎo)熱油爐一般不宜少于2臺(tái)，當(dāng)1臺(tái)導(dǎo)熱油爐能滿足檢修需要時(shí)，可設(shè)置1臺(tái)。如導(dǎo)熱油爐不需設(shè)置備用，在占地不緊張的條件下，也可以綜合考慮熱用戶運(yùn)行工況，按照兩臺(tái)或以上導(dǎo)熱油爐加和后能夠滿足熱用戶的負(fù)荷需求來(lái)配置[4]。如熱用戶對(duì)熱負(fù)荷的連續(xù)性要求比較高，需要設(shè)置備用，為降低初投資，也可考慮多臺(tái)布置一臺(tái)備用的情況。對(duì)于大型系統(tǒng)，因立式導(dǎo)熱油爐具有占地面積小，爐底油容易放凈等特點(diǎn)，在占地緊張時(shí)可優(yōu)先考慮采用。導(dǎo)熱油爐的設(shè)計(jì)、選型、配置將會(huì)對(duì)整個(gè)供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性有直接的影響。導(dǎo)熱油爐的額定負(fù)荷一般取設(shè)計(jì)負(fù)荷率的80%至90%，通常在85%為最佳設(shè)計(jì)負(fù)荷率。額定負(fù)荷及供回油溫度的確定方法：

q=q1×裝置運(yùn)行上限+q2或q=(q1+q2)/η

上兩式中較大值，可確定為導(dǎo)熱油爐額定熱負(fù)荷。

式中：q-導(dǎo)熱油爐額定負(fù)荷(kW)；q1-各用熱設(shè)備用熱量之和(kW)；q2-系統(tǒng)熱損失(kW)；η-設(shè)計(jì)負(fù)荷率,宜取80%或85%。

導(dǎo)熱油爐回油溫度應(yīng)根據(jù)用熱設(shè)備的用熱參數(shù)確定，供油溫度應(yīng)使導(dǎo)熱油供回油溫差盡量大以降低用熱設(shè)備的換熱面積、減少系統(tǒng)流量、進(jìn)而減少導(dǎo)熱油開(kāi)工一次充注量和循環(huán)泵的功率。

因不同成分導(dǎo)熱油使用條件有限制，溫差較大同時(shí)對(duì)導(dǎo)熱油爐布管要求提高，且溫度太高對(duì)導(dǎo)熱油本身存在使用限制，為避免溫差給導(dǎo)熱油爐及導(dǎo)熱油介質(zhì)帶來(lái)的不利影響，應(yīng)綜合分析對(duì)導(dǎo)熱油系統(tǒng)使用要求及導(dǎo)熱油價(jià)格等因素進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，選取適合所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的導(dǎo)熱油。導(dǎo)熱油回油溫度與被加熱介質(zhì)高溫位的溫差一般不低于20℃。供油溫度的爐內(nèi)膜溫一般不高于導(dǎo)熱油允許最高使用溫度。導(dǎo)熱油爐導(dǎo)熱油出口溫度一般低于最高膜溫20℃，導(dǎo)熱油爐出口溫度應(yīng)不高于基于對(duì)導(dǎo)熱油樣品詳細(xì)的熱力研究結(jié)果推薦的導(dǎo)熱油最高主流體溫度，以延長(zhǎng)導(dǎo)熱油的使用壽命。使用過(guò)的導(dǎo)熱油可以回收處理，去除導(dǎo)熱油使用過(guò)程中因熱降解、氧化等運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的影響其使用性能的物質(zhì)，回收導(dǎo)熱油中的有效成分，部分的恢復(fù)其使用性能，籍此降低綜合成本。

2.2 熱油循環(huán)泵

熱油循環(huán)泵進(jìn)口壓力由膨脹罐定壓，膨脹罐一般安裝在高于整個(gè)導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)最高點(diǎn)1.5m[5]。熱油循環(huán)泵出口壓力應(yīng)為進(jìn)口壓力加上系統(tǒng)循環(huán)回路的壓損。

1)導(dǎo)熱油最大循環(huán)量的確定

最大循環(huán)油量(質(zhì)量流量)為：G=3600×q/(H1-H2)/ ρ

式中：G-導(dǎo)熱油循環(huán)量(m3/h)；q-導(dǎo)熱油爐的額定熱負(fù)荷(kW)；H1-導(dǎo)熱油爐出口溫度t1(℃)下的導(dǎo)熱油的焓(kJ/kg)；H2-導(dǎo)熱油爐進(jìn)口溫度t2(℃)下的導(dǎo)熱油的焓(kJ/kg)；ρ-t2溫度下導(dǎo)熱油密度(kg/ m3)。

為防止導(dǎo)熱油結(jié)焦，一般取溫差(t1一t2)≤30℃，溫差視導(dǎo)熱油性質(zhì)與導(dǎo)熱油爐供應(yīng)商確定后可微調(diào)。

2)熱油循環(huán)泵額定流量的確定：G泵=1.1*G。

式中：G泵-熱油循環(huán)泵額定流量(m3/h)；G-導(dǎo)熱油最大循環(huán)量(m3/h)；

3)熱油循環(huán)泵揚(yáng)程的確定；H= H1+H2+H3+H4。

式中：H-熱油循環(huán)泵揚(yáng)程(m)；H1-導(dǎo)熱油爐內(nèi)部阻力(m)；H2-管網(wǎng)阻力(m)，應(yīng)按照導(dǎo)熱油參數(shù)在管道中的比摩阻乘以管道長(zhǎng)度確定，管道中管件的阻力可按照當(dāng)量長(zhǎng)度計(jì)算；H3-熱用戶阻力(m)。

2.3 膨脹罐和儲(chǔ)油罐

高位膨脹罐類似于熱水系統(tǒng)中的膨脹水箱，其作用有如下幾點(diǎn)：

1)排氣、脫水；

2)吸收導(dǎo)熱油因加熱產(chǎn)生的脹量；

3)為整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)定壓。

4)隨時(shí)補(bǔ)充系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中因跑、冒、泄等產(chǎn)生的導(dǎo)熱油損失量。

原則上膨脹罐可以安裝在系統(tǒng)的高位、中間高度或地面均可，但不能直接安裝在導(dǎo)熱油爐的正上方，與油氣分離器的間距盡量大于1 m，為了防止由于導(dǎo)熱油的溢出或泄露引起火災(zāi)。當(dāng)膨脹罐被安裝在地面或者系統(tǒng)的中間高度時(shí)，應(yīng)根據(jù)其安裝位置與系統(tǒng)最高點(diǎn)的位差采用惰性氣體定壓，保證罐內(nèi)的真實(shí)液位和系統(tǒng)的正常工作壓力[6]。由于膨脹罐的脫氣功能，工程上大多仍是將膨脹罐安裝在整個(gè)熱循環(huán)回路的最高處。膨脹罐的調(diào)節(jié)容積，對(duì)于小容量的系統(tǒng)應(yīng)不小于循環(huán)導(dǎo)熱油受熱膨脹后系統(tǒng)中體積增加量的1.3倍；對(duì)于較大容量的系統(tǒng)，可采用膨脹罐和儲(chǔ)油罐共同容納整個(gè)系統(tǒng)的膨脹量，同時(shí)應(yīng)在膨脹罐上設(shè)置自動(dòng)控制裝置和溢流管，溢流管上不可裝設(shè)任何閥門(mén)。膨脹罐通常有開(kāi)式和閉式兩種，開(kāi)式膨脹罐通過(guò)通氣管與大氣連通，對(duì)開(kāi)式系統(tǒng)而言為防止導(dǎo)熱油高溫氧化，通常希望膨脹罐的工作溫度越低越好，一般要求≤70℃，故只有對(duì)膨脹罐和膨脹管不保溫才有可能達(dá)到此低溫要求，但不保溫又會(huì)增加造成人員傷害的危險(xiǎn)，且母管的高溫導(dǎo)熱油和膨脹罐內(nèi)的導(dǎo)熱油會(huì)形成因密度差引起的局部擾流，所以，其實(shí)即使對(duì)膨脹罐和膨脹管不保溫也很難維持其內(nèi)導(dǎo)熱油溫度在70℃以下。因此，為延長(zhǎng)導(dǎo)熱油的使用壽命，避免導(dǎo)熱油因與空氣接觸而發(fā)生氧化，工程上更加傾向于采用閉式系統(tǒng)。閉式膨脹罐一般采用惰性氣體密封，且應(yīng)安裝壓力表和泄壓裝置。因閉式系統(tǒng)對(duì)膨脹罐和膨脹管保溫并不影響膨脹罐的功能，故，從人員操作安全考慮應(yīng)對(duì)膨脹罐和膨脹管保溫，避免人員燙傷。

儲(chǔ)油罐的作用如下：

1)容納膨脹罐溢流的導(dǎo)熱油；

2)儲(chǔ)存系統(tǒng)所必需的補(bǔ)充儲(chǔ)存量，并通過(guò)注油泵注入高位膨脹罐為整個(gè)系統(tǒng)補(bǔ)油；

3)在故障停工或檢修時(shí)，容納系統(tǒng)中的卸油量。

關(guān)于儲(chǔ)油罐的容量，對(duì)于較小的導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)，熱油儲(chǔ)槽的容積應(yīng)能容納整個(gè)系統(tǒng)導(dǎo)熱油總?cè)萘考由舷到y(tǒng)所必需的適當(dāng)補(bǔ)充儲(chǔ)備量(避免注油泵抽空)。對(duì)于大型供熱系統(tǒng)，為有效減小系統(tǒng)大規(guī)模泄漏，同時(shí)降低儲(chǔ)油罐的容積，可以將系統(tǒng)的管線和設(shè)備通過(guò)閥門(mén)合理的分割成幾個(gè)小的區(qū)域，在系統(tǒng)發(fā)生泄漏的情況下，可以通過(guò)關(guān)閉隔斷閥來(lái)將泄漏區(qū)域與系統(tǒng)的其余部分隔離開(kāi)來(lái)。而后，將被隔離區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)熱油快速排放至儲(chǔ)油罐。此時(shí)，對(duì)于采用儲(chǔ)油罐和膨脹罐共同容納膨脹量的大型液相導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)，儲(chǔ)油罐的容量應(yīng)該是系統(tǒng)中最大被隔離部分的導(dǎo)熱油量、膨脹罐所能容納的導(dǎo)熱油以外的系統(tǒng)膨脹量、系統(tǒng)所必需的的適當(dāng)補(bǔ)充儲(chǔ)備量三者之和。

綜上，對(duì)于較大系統(tǒng)采用以下形式設(shè)計(jì)方式更加能夠滿足工程實(shí)際需要。

1)膨脹罐采用閉式、高位安裝加惰性氣體密封和定壓的形式。

2)采用膨脹罐和儲(chǔ)油罐共同容納整個(gè)系統(tǒng)的膨脹量，整個(gè)系統(tǒng)加隔斷，降低高位膨脹罐和儲(chǔ)油罐的容量，以達(dá)到降低泄露帶來(lái)的危害程度和降低初投資的目的。

導(dǎo)熱油系統(tǒng)開(kāi)工充注量計(jì)算：V=V1+V2+V3。

式中：V：導(dǎo)熱油循環(huán)系統(tǒng)容量(m3)；V1：爐管總?cè)莘e(m3)；V2：系統(tǒng)循環(huán)管道的總?cè)莘e(m3)；V3：用熱設(shè)備容積(m3)。

系統(tǒng)膨脹量：V脹=(ρ常-ρ供)*V/ρ供。

式中：V脹中-系統(tǒng)膨脹量(m3)；V-系統(tǒng)循環(huán)導(dǎo)熱油容量(m3)；ρ常-導(dǎo)熱油常溫下的密度(kg/m3)；ρ供-導(dǎo)熱油供油溫度下的密度(kg/m3)。

2.4 熱媒循環(huán)管路系統(tǒng)及油氣分離措施

1)熱油循環(huán)管管徑計(jì)算：D=2×(Q/(πV))1/2

式中：D：供熱管母管直徑(m)；Q：介質(zhì)體積流量(kg/m3)；V： 介質(zhì)流速(m/s)。

對(duì)于介質(zhì)流速，為防止?fàn)t管內(nèi)導(dǎo)熱油膜溫過(guò)熱，必須確保導(dǎo)熱油爐爐管內(nèi)的流速，輻射區(qū)爐管內(nèi)流速不宜小于2 m/s，對(duì)流區(qū)爐管內(nèi)流速不宜小于1.5 m/s，外部系統(tǒng)的流速可適當(dāng)降低。。

油氣分離器通常安裝在膨脹管上，用于分離系統(tǒng)內(nèi)的氣體，一般采用旋分的形式。氣體經(jīng)油氣分離器的旋分過(guò)程進(jìn)入高位膨脹罐，膨脹罐超壓時(shí)通過(guò)安全閥放空排出。對(duì)于大型液相導(dǎo)熱油系統(tǒng)，也有采用膨脹罐與回油總管連接兩根連通管的三閥組形式。其中一根連通管外加一根膨脹管不加任何閥門(mén)，作為正常運(yùn)行的膨脹管。此種形式有利于大型液相系統(tǒng)在開(kāi)工時(shí)能夠較快的排除系統(tǒng)中的水蒸氣和低沸物。此時(shí)，在開(kāi)工階段膨脹罐便成為了過(guò)流設(shè)備，因此膨脹罐的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)不低于導(dǎo)熱油出口管線的設(shè)計(jì)溫度。

當(dāng)用熱負(fù)荷減少，必需以滿足客戶需求的熱負(fù)荷變化來(lái)調(diào)節(jié)供出的熱負(fù)荷，同時(shí)為滿足爐管內(nèi)油速的需要，要確保穩(wěn)定的熱管循環(huán)流量，以避免導(dǎo)熱油在爐管內(nèi)流速過(guò)緩燒焦，所以在管道的設(shè)計(jì)中，通常在供回油主管上安裝可調(diào)節(jié)回路，調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油供出前的回油量，通常采用壓差調(diào)節(jié)的方式。導(dǎo)熱油閃點(diǎn)以及燃點(diǎn)等都很高，在選擇導(dǎo)熱油時(shí)，雖然按照能夠滿足設(shè)計(jì)的需要來(lái)選擇，但是導(dǎo)熱油本身仍是一種可燃物質(zhì)，滲透性極強(qiáng)，因此在管道設(shè)計(jì)、選材、施工時(shí)必須注意防泄漏。為防止泄露及滿足高溫工作的需要，根據(jù)已有的良好工程經(jīng)驗(yàn)，截止閥是首選閥門(mén)型式，但要避免使用普通的截止閥，可采取改進(jìn)型防漏性能比較好的波紋管截止閥。

3 結(jié)論

(1)大型系統(tǒng)因管輸距離較長(zhǎng)導(dǎo)致壓損較大，因此在設(shè)計(jì)供熱管網(wǎng)時(shí)，應(yīng)在準(zhǔn)確計(jì)算流量和壓損的基礎(chǔ)上，選擇合理經(jīng)濟(jì)的熱油循環(huán)泵的揚(yáng)程和功率。降低整個(gè)系統(tǒng)初投資并保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。

(2)應(yīng)對(duì)不同導(dǎo)熱油的熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱油爐布管、導(dǎo)熱油價(jià)格等因素進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，選取經(jīng)濟(jì)適合的導(dǎo)熱油、使導(dǎo)熱油供回油溫差盡量大，以降低用熱設(shè)備的換熱面積、降低系統(tǒng)流量和循環(huán)泵的功率、減少導(dǎo)熱油開(kāi)工一次充注量，以期達(dá)到兼顧導(dǎo)熱油使用壽命、保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，減少初投資的目的。

(3)因膨脹罐常設(shè)置在高出整個(gè)導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)(含用戶)的構(gòu)架上，通常距離地面十幾米以上，尤其對(duì)于南方地區(qū)，風(fēng)荷載對(duì)構(gòu)架的影響導(dǎo)致初投資增加明顯，因此，降低膨脹罐的大小和重量對(duì)降低初投資有較大貢獻(xiàn)。故，對(duì)大型液相系統(tǒng)在考慮膨脹量的容納時(shí)，可將膨脹罐的容積和儲(chǔ)油罐的容積合并考慮，從而減小膨脹罐的大小，降低土建基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)投資。

(4)在設(shè)計(jì)儲(chǔ)油罐時(shí)，大型液相導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)往往管網(wǎng)輸送距離很長(zhǎng)，為滿足規(guī)范要求同時(shí)考慮檢修需要，有時(shí)管網(wǎng)的導(dǎo)熱油存儲(chǔ)量是最大的，所以，對(duì)儲(chǔ)油罐容積影響最大的地方通常在管網(wǎng)段，可以通過(guò)加隔斷閥的方式來(lái)減少最大可能的泄漏量，從而減小儲(chǔ)油罐的大小，降低泄漏發(fā)生造成的危害程度、并可降低投資。

(5)對(duì)于大系統(tǒng)多用戶的情況，為滿足負(fù)荷變化需要，在供回油管路設(shè)置差壓控制的調(diào)節(jié)回路，既滿足用熱變化導(dǎo)致的供熱負(fù)荷變化，又能避免因?qū)嵊驮跔t管內(nèi)流動(dòng)太慢而產(chǎn)生過(guò)熱燒焦的風(fēng)險(xiǎn)。

(6)導(dǎo)熱油具有可再生性，系統(tǒng)故障或停工狀態(tài)的導(dǎo)熱油排放應(yīng)使用專用設(shè)備回收后處理，循環(huán)利用。