有機(jī)熱載體鍋爐及系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響因素

王文麗(聊城市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東 聊城 252000)

0 引言

有機(jī)熱載體鍋爐以有機(jī)熱載體(俗稱導(dǎo)熱油)為熱載體，通過熱油泵使熱載體循環(huán)，將熱量傳遞給用熱設(shè)備。雖然有機(jī)熱載體鍋爐的工作壓力比較低，但爐內(nèi)熱傳導(dǎo)液溫度高，在其運(yùn)行過程中存在發(fā)生泄漏、引起火災(zāi)、爆炸的危險(xiǎn)性，甚至?xí)斐扇藛T傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，故有機(jī)熱載體鍋爐及系統(tǒng)的安全運(yùn)行和管理工作很重要。

1 設(shè)計(jì)缺陷影響有機(jī)熱載體質(zhì)量

鍋爐及系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷會導(dǎo)致使用中的有機(jī)熱載體發(fā)生嚴(yán)重質(zhì)量變化，主要原因是過熱、氧化和污染等問題，而造成問題的根源，除運(yùn)行過程中存在的不正確操作，主要就是由鍋爐及系統(tǒng)存在的設(shè)計(jì)缺陷所引發(fā)的。

1.1 設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致過熱超溫

有機(jī)熱載體鍋爐存在設(shè)計(jì)缺陷和受熱面布置不合理是有機(jī)熱載體發(fā)生局部過熱超溫問題的主要原因之一[1]。有機(jī)熱載體過熱超溫的原因主要有四種：一是設(shè)計(jì)時選用的有機(jī)熱載體本身不合適，有機(jī)熱載體最高允許使用溫度與鍋爐最高工作溫度之間應(yīng)該預(yù)留的溫度安全裕量不合適；二是鍋爐設(shè)計(jì)的最大熱流密度過大，這樣會致使其計(jì)算最高液膜溫度等于或超過所選用的有機(jī)熱載體的最高允許液膜溫度；三是鍋爐及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最低流速低于鍋爐的最低安全流速，這樣會導(dǎo)致通過鍋爐的有機(jī)熱載體在低流速條件下發(fā)生局部過熱超溫；四是如果鍋爐受熱面的設(shè)計(jì)及布置不合理，會造成在爐膛內(nèi)形成了火焰直接沖刷輻射受熱面的問題，或者部分爐管的受熱及流動條件不相容，又或者爐管內(nèi)的有機(jī)熱載體流量分配不均勻等。

1.2 開式系統(tǒng)缺陷導(dǎo)致油品氧化

導(dǎo)致有機(jī)熱載體發(fā)生氧化變質(zhì)通常有以下情況：一是將本該按照閉式系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為開式系統(tǒng)；二是雖然將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為閉式系統(tǒng)，但是膨脹罐上的氮封裝置或液封裝置無法滿足系統(tǒng)內(nèi)壓力變化需要而不能正常工作，造成氮封或液封裝置失效，導(dǎo)致空氣進(jìn)入膨脹罐，與有機(jī)熱載體接觸發(fā)生氧化反應(yīng)；三是由于開式系統(tǒng)的膨脹罐及管線設(shè)計(jì)缺陷或安裝不合理，導(dǎo)致膨脹罐內(nèi)有機(jī)熱載體攪動接觸，使其快速氧化。有機(jī)熱載體的氧化后果非常嚴(yán)重，被氧化后有機(jī)熱載體的黏度和中和值會明顯增高[1]。

1.3 換熱設(shè)備缺陷導(dǎo)致化學(xué)污染

其他化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入了有機(jī)熱載體系統(tǒng)，對有機(jī)熱載體形成化學(xué)污染，通常容易在換熱設(shè)備里發(fā)生有機(jī)熱載體污染事故。也就是說，當(dāng)被加熱的工藝介質(zhì)具有足夠高的工作壓力時，換熱設(shè)備存在的設(shè)計(jì)或制造缺陷，會導(dǎo)致被加熱的工藝介質(zhì)泄漏，從而進(jìn)入到有機(jī)熱載體系統(tǒng)內(nèi)，造成有機(jī)熱載體的化學(xué)污染。

2 操作和運(yùn)行問題影響有機(jī)熱載體質(zhì)量

有機(jī)熱載體鍋爐及系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)不合理操作方式和運(yùn)行狀況的改變，會導(dǎo)致有機(jī)熱載體質(zhì)量快速劣化。不論是燃料、工藝參數(shù)、負(fù)荷調(diào)節(jié)、設(shè)備狀況、電力供應(yīng)、導(dǎo)熱介質(zhì)性質(zhì)等條件發(fā)生變化，還是鍋爐和循環(huán)泵的頻繁停啟，或者系統(tǒng)突發(fā)事故被緊急停運(yùn)，這些情況均有可能對系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)熱載體的質(zhì)量變化產(chǎn)生不同程度的影響。將有機(jī)熱載體鍋爐及系統(tǒng)按照熱水鍋爐及系統(tǒng)的條件進(jìn)行操作運(yùn)行是常見的不合理操作方式。無論何種原因，只要使通過鍋爐的有機(jī)熱載體流量降低或受熱溫度升高，就可能發(fā)生有機(jī)熱載體過熱超溫現(xiàn)象(即便是事后迅速調(diào)控了鍋爐的運(yùn)行條件)，并且，在爐膛輻射受熱面或多管并聯(lián)的對流受熱面爐管內(nèi)會造成有機(jī)熱載體液液膜溫度超溫問題。超溫會導(dǎo)致有機(jī)熱載體發(fā)生嚴(yán)重的熱裂解，使其快速變質(zhì)劣化，形成裂解產(chǎn)物，甚至在爐管內(nèi)結(jié)焦，并惡化傳熱和引發(fā)安全事故[1]。不合理的操作方式也會導(dǎo)致高溫有機(jī)熱載體與空氣接觸，致使氧化。比如系統(tǒng)突然停電，遇到這種情況，用戶為了防止鍋爐內(nèi)有機(jī)熱載體過熱超溫，就有可能用膨脹罐內(nèi)的有機(jī)熱載體與爐內(nèi)高溫有機(jī)熱載體進(jìn)行置換，將置換出的高溫有機(jī)熱載體直接排放到開式儲罐內(nèi)，但此操作方式不能避免鍋爐內(nèi)有機(jī)熱載體發(fā)生過熱超溫，還會導(dǎo)致排入開式儲罐內(nèi)的高溫有機(jī)熱載體與空氣接觸，加快其氧化。又比如有的用戶在間歇性運(yùn)行的工藝系統(tǒng)內(nèi)，為提高工藝設(shè)備的利用效率，便采用壓縮空氣作為冷卻介質(zhì)，把工藝設(shè)備中的有機(jī)熱載體置換，同時把尚未完全冷卻的有機(jī)熱載體排放到系統(tǒng)外，且直接接觸到空氣，這樣就必然會使有機(jī)熱載體發(fā)生氧化，所以這種操作方式和工藝流程也是不合理的。

3 有機(jī)熱載體質(zhì)量劣化影響鍋爐及系統(tǒng)安全運(yùn)行

未使用有機(jī)熱載體注入系統(tǒng)前(包括系統(tǒng)初次注入和運(yùn)行過程中補(bǔ)充的未使用有機(jī)熱載體)應(yīng)根據(jù)該產(chǎn)品型式試驗(yàn)報(bào)告，對其質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證檢驗(yàn)[2]。在用有機(jī)熱載體在使用過程中，因過熱超溫、氧化及污染等影響，質(zhì)量就會發(fā)生變化，變化程度不一，由量變發(fā)展到質(zhì)變后，有機(jī)熱載體的質(zhì)量將會嚴(yán)重影響鍋爐及系統(tǒng)的安全運(yùn)行。有機(jī)熱載體質(zhì)量變化會導(dǎo)致其化學(xué)及物理性質(zhì)改變?；瘜W(xué)性質(zhì)的改變有可能使有機(jī)熱載體轉(zhuǎn)變?yōu)橐兹嫉奈ｋU(xiǎn)化學(xué)品，一旦產(chǎn)生這種變化便可能致使鍋爐及系統(tǒng)整體操作的安全性發(fā)生變化；有機(jī)熱載體物理性質(zhì)的改變通常指密度、導(dǎo)熱系數(shù)、餾程、黏度、比熱容等的改變，這些改變會使鍋爐及工藝換熱設(shè)備的傳熱得到惡化，從而使鍋爐及系統(tǒng)的傳熱效率及安全受到負(fù)面影響。另外，系統(tǒng)內(nèi)積累的低沸物、高沸物和不溶物，會對鍋爐及系統(tǒng)的安全運(yùn)行及有機(jī)熱載體的使用壽命造成嚴(yán)重影響。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，有一部分沸點(diǎn)更低的低沸物以氣態(tài)的形式游離在有機(jī)熱載體中，當(dāng)它們通過循環(huán)泵及鍋爐的時候，會惡化鍋爐的循環(huán)及傳熱、導(dǎo)致循環(huán)泵氣蝕，進(jìn)而使有機(jī)熱載體繼續(xù)過熱超溫、變質(zhì)加速；高沸物在系統(tǒng)運(yùn)行時，被溶解在有機(jī)熱載體內(nèi)，高沸物的分子量更大，黏度更高，且化學(xué)穩(wěn)定性比較差，所以它會影響傳熱，在高溫作用下還容易發(fā)生裂解或聚合，高沸物還會造成受熱面結(jié)焦、爐管阻塞的現(xiàn)象，更嚴(yán)重會引發(fā)爆管，導(dǎo)致有機(jī)熱載體泄漏等安全事故的發(fā)生。還有不溶物，在系統(tǒng)中會造成循環(huán)泵轉(zhuǎn)動部件、閥門、軸封等的磨損，更嚴(yán)重會使管道堵塞，使系統(tǒng)的正常循環(huán)受到阻礙，并且，不溶物在爐內(nèi)傳熱過程中還會使?fàn)t膛輻射受熱面里面形成局部熱點(diǎn)，促使有機(jī)熱載體過熱超溫現(xiàn)象的發(fā)生。

4 有機(jī)熱載體泄漏引發(fā)事故的原因

引發(fā)有機(jī)熱載體鍋爐及系統(tǒng)安全事故的直接原因是：有機(jī)熱載體的泄漏。在系統(tǒng)循環(huán)過程中的有機(jī)熱載體不會發(fā)生燃燒，但是如果泄漏到爐膛內(nèi)或外部，混合了空氣，一旦泄漏現(xiàn)場存在靜電火花、火花、爐膛火焰、人為火源等點(diǎn)火條件，這個地方就存在燃燒及爆炸的危險(xiǎn)；另外，如果有機(jī)熱載體中的易燃?xì)怏w與空氣混合，或者燃點(diǎn)較低的液態(tài)有機(jī)熱載體與空氣混合，它們的混合物又遇到了達(dá)到著火溫度的火源，那必定會引發(fā)燃燒并導(dǎo)致火災(zāi)事故的發(fā)生。

5 預(yù)防措施和方法

有機(jī)熱載體鍋爐設(shè)計(jì)、制造、安裝方面存在缺陷，有機(jī)熱載體變質(zhì)、操作方式不合理是造成鍋爐及系統(tǒng)泄漏的主要原因，分析總結(jié)出一些預(yù)防措施和方法是非常有必要的。有機(jī)熱載體鍋爐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)型式應(yīng)當(dāng)根據(jù)所選用的有機(jī)熱載體的特性和最高工作溫度及系統(tǒng)運(yùn)行方式確定[3]。應(yīng)優(yōu)先選擇閉式循環(huán)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)鍋爐及系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)考慮采取防止其發(fā)生泄漏的措施，比如：系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備及管線連接盡量采用焊接型式，少用法蘭連接型式，不用螺紋連接型式。在膨脹罐上設(shè)置液位自動檢測、報(bào)警和連鎖裝置，利于操作人員早期發(fā)現(xiàn)并及時采取措施；考慮對有機(jī)熱載體循環(huán)流量及工作溫度的檢測和自動控制；有機(jī)熱載體數(shù)量較大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，應(yīng)考慮把系統(tǒng)用的閥門分隔成若干個區(qū)域，如果某一設(shè)備或管線發(fā)生泄漏，就可以對該區(qū)域用閥門進(jìn)行隔離，從而減少系統(tǒng)中有機(jī)熱載體的泄漏量。鍋爐及系統(tǒng)的壓力試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)符合《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)要求。將有機(jī)熱載體注入新安裝的系統(tǒng)前，或鍋爐及系統(tǒng)經(jīng)過檢修后，還應(yīng)當(dāng)對鍋爐及系統(tǒng)進(jìn)行一次泄漏性氣密試驗(yàn)。有機(jī)熱載體產(chǎn)品的選擇和使用應(yīng)當(dāng)符合GB 23971—2019《有機(jī)熱載體》和GB/T 24747—2009《有機(jī)熱載體安全技術(shù)條件》的要求[3]。鍋爐爐管及系統(tǒng)的管道布置和安裝，應(yīng)當(dāng)按照管道的最高工作溫度計(jì)算其熱脹冷縮及受力條件，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果合理布置爐管和設(shè)置管道的支吊架及膨脹補(bǔ)償器；鍋爐及系統(tǒng)的壓力試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)符合《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)要求。鍋爐及系統(tǒng)的焊接應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照焊接工藝要求進(jìn)行操作，焊接質(zhì)量應(yīng)當(dāng)符合《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》有關(guān)焊接質(zhì)量檢驗(yàn)要求。操作方式應(yīng)合理，應(yīng)保證鍋爐及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，盡量避免改變鍋爐燃料或燃燒、工藝、負(fù)荷及設(shè)備等條件，最大程度減少鍋爐和循環(huán)泵的頻繁停啟，采用適當(dāng)措施保障鍋爐循環(huán)泵的電力供應(yīng)。在用有機(jī)熱載體應(yīng)定期進(jìn)行取樣檢驗(yàn)，并根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，考慮采取必要的處置措施。鍋爐和系統(tǒng)檢修時，焊接應(yīng)當(dāng)在循環(huán)系統(tǒng)的被焊接組件內(nèi)的易燃?xì)怏w和空氣的混合物被惰性氣體完全吹掃后進(jìn)行[3]；在整個焊接過程中，吹掃操作應(yīng)當(dāng)連續(xù)進(jìn)行[3]；系統(tǒng)中被有機(jī)熱載體浸潤過的保溫材料不應(yīng)當(dāng)繼續(xù)使用[3]；已經(jīng)發(fā)生燃燒的保溫層不應(yīng)當(dāng)立即打開，必須在保溫層被充分冷卻后再將其拆除更換[3]。若發(fā)生泄漏，有機(jī)熱載體發(fā)生燃燒，應(yīng)當(dāng)采用干粉或泡沫滅火劑將其撲滅。如果發(fā)生大量有機(jī)熱載體泄漏并燃燒，操作人員應(yīng)立刻切斷電源并撤離現(xiàn)場，同時撥打火警電話，報(bào)告有關(guān)部門。

6 結(jié)語

有機(jī)熱載體鍋爐使用數(shù)量不斷增加，其安全運(yùn)行的要求逐漸提高，通過對TSG 11—2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》、GB 23971—2009《有機(jī)熱載體》及GB 24747—2009《有機(jī)熱載體安全技術(shù)條件》等標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)，結(jié)合作者本人在有機(jī)熱載體鍋爐檢驗(yàn)工作的經(jīng)驗(yàn)，參考安全泄漏事故的教訓(xùn)，總結(jié)分析了影響鍋爐及系統(tǒng)安全運(yùn)行的因素，提出上述預(yù)防措施和方法，以促進(jìn)有機(jī)熱載體鍋爐及系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行。