導(dǎo)熱油間接式加熱天然氣系統(tǒng)技術(shù)分析

王麗娟，王曉玲，韓延坤，馮森森，謝騰騰

（1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限公司，上海 201518；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

為有效降低天然氣黏度，防止介質(zhì)在管線內(nèi)積液，通常需要對(duì)天然氣進(jìn)行加熱處理，而天然氣屬于易燃、易爆介質(zhì)，若與加熱元件直接接觸，易使加熱芯在壓力及腐蝕作用下發(fā)生爆管，存在安全問(wèn)題，故工程上常采用間接式加熱方式。間接式加熱包括間接式水蒸汽加熱、間接式導(dǎo)熱油加熱等。其中，導(dǎo)熱油加熱技術(shù)適用工作溫度范圍較大，且適用于高溫工況，其高溫低壓的特性十分適合于石油化工生產(chǎn)過(guò)程。文中從設(shè)計(jì)選型角度對(duì)一種導(dǎo)熱油間接式加熱天然氣系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)分析。

1 導(dǎo)熱油間接式加熱系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)工作原理

導(dǎo)熱油間接式加熱系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)油罐、電加熱器、膨脹槽、分離器、循環(huán)泵等設(shè)備，其主要工藝流程見(jiàn)圖 1［1］。

圖1 導(dǎo)熱油系統(tǒng)工藝流程示圖

導(dǎo)熱油用儲(chǔ)油罐存儲(chǔ)，系統(tǒng)工作時(shí)用循環(huán)泵送至電加熱器中加熱。先通過(guò)電加熱導(dǎo)熱油，再通過(guò)導(dǎo)熱油加熱工藝介質(zhì)。使用后的導(dǎo)熱油先后經(jīng)過(guò)濾器、分離器等設(shè)備，分離出氣體和雜質(zhì)后，再返回電加熱器中重復(fù)循環(huán)利用。

1.2 導(dǎo)熱油與水蒸氣加熱方式比較

水蒸氣加熱方式以蒸汽或者熱水為熱源,是一種半開(kāi)放式循環(huán)系統(tǒng)，其主要缺點(diǎn)是，①設(shè)備體積大、空間需求高、能耗高、投資較高，而且傳熱效果差、熱效率低、需要較長(zhǎng)的加熱時(shí)間、蒸汽回水溫度高、熱媒的熱量沒(méi)有得到充分利用、容積利用率低等［2］。②熱能損失大［3］，能達(dá)到的加熱溫度有限。③加熱后，蒸汽直接排放，冷凝水不回收，浪費(fèi)熱能和水資源。④加熱器泄漏會(huì)污染冷凝水，導(dǎo)致其中含有有毒有害的油類，增加外排廢水處理難度和處理成本。

導(dǎo)熱油加熱方式以導(dǎo)熱油為熱源，是一種封閉式的強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是，①滿足高溫?fù)Q熱要求［4］。②設(shè)備對(duì)空間要求不高。③無(wú)熱量損失、熱效率高、節(jié)能效果好。④系統(tǒng)運(yùn)行壓力低，設(shè)備材料強(qiáng)度等級(jí)和密封要求大幅降低。⑤設(shè)備制造和使用成本遠(yuǎn)低于蒸汽加熱設(shè)備［5］。⑥導(dǎo)熱油本身具有防腐作用，不會(huì)像水浴加熱給裝置造成腐蝕，用戶不需另外采取防腐措施。

相比水蒸氣加熱方式，導(dǎo)熱油加熱方式更適合在油氣田場(chǎng)站應(yīng)用，可以獲得更為滿意的工作溫度匹配性、更長(zhǎng)的使用期限、更理想的傳熱和加熱效果。

2 導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)分析

導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)中電加熱器是保證整個(gè)系統(tǒng)工藝達(dá)標(biāo)的核心設(shè)備，而膨脹裝置，包括膨脹槽、膨脹管線，是保證系統(tǒng)安全的重要設(shè)備。下面對(duì)這些設(shè)備逐一展開(kāi)分析。

2.1 電加熱器

2.1.1 外加熱方式

外加熱方式原理示意圖見(jiàn)圖2。加熱元件插入充滿導(dǎo)熱油的加熱器殼體內(nèi)，天然氣從進(jìn)口進(jìn)入電加熱器的換熱管，沿?fù)Q熱管導(dǎo)向曲折翻滾，與加熱器殼體內(nèi)被加熱的導(dǎo)熱油（管內(nèi)常壓）充分換熱，流向出口［6］。天然氣在換熱管內(nèi)流動(dòng)，電加熱元件在換熱管外把導(dǎo)熱油加熱后，導(dǎo)熱油再給換熱管內(nèi)的天然氣傳熱。

圖2 外加熱方式原理示圖

外加熱式加熱器的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有承壓殼體，這可以極大降低加熱器的制造成本。外加熱式加熱器缺點(diǎn)是熱效率較低，熱損失大。因此，在選型計(jì)算時(shí)，通常會(huì)考慮更大功率余量。通常，相同熱量傳遞條件下外加熱方式需要的換熱面積是內(nèi)加熱方式的1.5倍以上。

2.1.2 內(nèi)加熱方式

內(nèi)加熱方式原理示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 內(nèi)加熱方式原理示圖

加熱元件置于換熱管內(nèi)，換熱管內(nèi)充滿導(dǎo)熱油，換熱管外為天然氣，將整個(gè)換熱管包圍。該加熱器優(yōu)點(diǎn)是熱效率高，加熱元件產(chǎn)生的熱量只有單一方向的傳熱，最終只能被換熱管外的天然氣吸收，因此熱效率能達(dá)到95%以上，同時(shí)加熱元件與換熱管內(nèi)壁間距很小，熱量很容易從電熱元件上傳遞到換熱管外壁被天然氣吸收，導(dǎo)熱油與換熱管溫差較小，熱響應(yīng)快。其缺點(diǎn)是因天然氣在換熱管與加熱器殼體間流動(dòng)，加熱器殼體為承壓容器，這樣就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備成本大幅增加。

2.1.3 電加熱器選型

內(nèi)加熱式與外加熱式工作原理不同，成本也差異較大，選型時(shí)需要綜合考慮。在兩種加熱方式均可滿足工藝要求的前提下，可根據(jù)預(yù)算優(yōu)選電加熱器。當(dāng)預(yù)算資金有限時(shí)，可采用外加熱式降低成本。例如，樂(lè)東22-1/15-1平臺(tái)多采用如圖4所示外加熱式導(dǎo)熱油電加熱器。

圖4 外熱式導(dǎo)熱油電加熱器結(jié)構(gòu)示圖

2.1.4 新型加熱元件

介紹一種新型電加熱元件。該電加熱元件類型為纜線，以銅或鎳鉻合金為導(dǎo)體，氧化鎂礦物材料為絕緣體，銅、不銹鋼或合金材料為護(hù)套，稱為礦物絕緣加熱電纜（MI電纜）。MI電纜解決了傳統(tǒng)管狀電加熱器長(zhǎng)期存在的積碳、爆管、斷芯、壽命短的弊端。與傳統(tǒng)管狀加熱元件的加熱爐相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)，①無(wú)氧化現(xiàn)象。因礦物絕緣加熱電纜為拉拔制作，在制造過(guò)程中護(hù)套管擠壓氧化鎂，氧化鎂擠壓發(fā)熱芯體，使之同時(shí)縮徑，因此氧化鎂的密度等同于金屬，使加熱電纜內(nèi)部絲毫不含氧，發(fā)熱芯體毫無(wú)氧化現(xiàn)象。而管狀加熱元件氧化鎂顆粒大，密實(shí)度比較松散，導(dǎo)致電熱管內(nèi)部含有空氣，增加了芯體的氧化機(jī)會(huì)。②MI電纜絕緣層很薄，導(dǎo)熱性好，芯體與護(hù)套溫差小，不易產(chǎn)生爆管、斷絲等故障。③MI電纜相同功率根數(shù)少，故障率低，冷端可直接焊接與管板，密封有保證。

2.2 膨脹裝置

2.2.1 膨脹槽計(jì)算

導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)中，膨脹裝置通常為膨脹罐或膨脹槽。膨脹罐的操作基于熱脹冷縮原理，平衡系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)熱油溫度變化帶來(lái)的體積變化。加熱過(guò)程中，隨著溫度不斷上升，系統(tǒng)中導(dǎo)熱油體積持續(xù)增加，液位不斷上升從而進(jìn)入膨脹罐；完成加熱后，導(dǎo)熱油溫度逐漸降低，膨脹罐內(nèi)的導(dǎo)熱油又返回管路內(nèi)循環(huán)使用［7］。膨脹槽設(shè)有排氣管，排氣管接至安全地點(diǎn)，避免膨脹槽內(nèi)導(dǎo)熱油沸騰噴出造成火災(zāi)等事故［8-9］。通常設(shè)計(jì)膨脹槽體積時(shí)，主要考慮導(dǎo)熱油的調(diào)節(jié)體積。此外，膨脹槽的體積確定還需考慮安全余量、裝載程度。

導(dǎo)熱油調(diào)節(jié)體積不低于膨脹后總體積的1.3倍［10］。導(dǎo)熱油一般每升高100℃,體積近似膨脹10%。膨脹槽安全系數(shù)一般取1.1,裝填系數(shù)取70%。膨脹槽設(shè)計(jì)體積V0按照下面的公式計(jì)算。

式中，V1為導(dǎo)熱油加熱前體積，m3；t1為導(dǎo)熱油加熱前溫度,t2為導(dǎo)熱油加熱后溫度,℃。

2.2.2 膨脹管線設(shè)置

為提高導(dǎo)熱油從分離器出來(lái)后進(jìn)入膨脹槽的散熱效果，膨脹槽和分離器應(yīng)保持較遠(yuǎn)距離,即膨脹管線具有一定長(zhǎng)度。為防止導(dǎo)熱油流經(jīng)彎管處出現(xiàn)氣阻現(xiàn)象，膨脹管線彎曲角度一般大于120°,如此設(shè)置兼具減小管線熱應(yīng)力效果。膨脹管線上不得安裝變徑管或閥門。管線公稱直徑可參考加熱器功率選擇，見(jiàn)表 1［11-12］。

表1 加熱器功率對(duì)應(yīng)膨脹管線公稱直徑

3 導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)電控技術(shù)

導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)的控制關(guān)鍵在電加熱器和膨脹槽的變量控制，包括電加熱器內(nèi)導(dǎo)熱油溫度控制、流速控制，膨脹槽內(nèi)壓力控制、液位控制。

加熱器溫度控制系統(tǒng)采用可控硅調(diào)功技術(shù)。相比固態(tài)繼電器調(diào)溫，可控硅調(diào)功器可實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)調(diào)節(jié)，控制精度高、波動(dòng)范圍小、功耗低，因此更節(jié)能、響應(yīng)快［13-14］。一般在電加熱器的出口管線上安裝測(cè)溫元件采集介質(zhì)溫度信號(hào)，采集的信號(hào)由溫度變送器送至模擬量輸入端，過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行PID整定計(jì)算后，輸出4～20 mA信號(hào)給可控硅調(diào)功器控制模塊?？煽毓韪鶕?jù)電流信號(hào)值確定電加熱器需要輸出的功率，滿足功率值0～100%間連續(xù)調(diào)節(jié)，使介質(zhì)保持恒定溫度［15-17］。導(dǎo)熱油內(nèi)部設(shè)有高溫檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到超過(guò)設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)斷電加熱器，同時(shí)觸發(fā)報(bào)警。

電加熱器內(nèi)導(dǎo)熱油流速過(guò)低時(shí)，會(huì)發(fā)生局部過(guò)熱，導(dǎo)致導(dǎo)熱油結(jié)焦或變質(zhì)等。一般在導(dǎo)熱油進(jìn)、出管口安裝測(cè)壓元件，通過(guò)測(cè)量壓力間接監(jiān)控電加熱器內(nèi)導(dǎo)熱油的流速。在電加熱器系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，就將確保安全運(yùn)行的壓力值在儀表上整定，運(yùn)行中一旦監(jiān)測(cè)到壓力值高于設(shè)定值，就由警報(bào)系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警，提示系統(tǒng)需馬上排除故障或停止運(yùn)行［18］。

膨脹槽內(nèi)設(shè)置壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)，即由膨脹槽氣相壓力大小來(lái)控制惰性氣體進(jìn)氣管的調(diào)節(jié)閥。

膨脹槽設(shè)有導(dǎo)熱油液位報(bào)警與控制系統(tǒng)，一般膨脹槽內(nèi)液位控制在總標(biāo)高的1/4～3/4，當(dāng)液位超出控制范圍時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的有效保護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)熱油間接式加熱系統(tǒng)在低壓操作條件下即可達(dá)到較高的工藝溫度，滿足油氣田站場(chǎng)加熱原油和天然氣要求，因?yàn)槭情]式循環(huán)系統(tǒng)，既杜絕了環(huán)境污染，又避免了能源浪費(fèi)。國(guó)內(nèi)勝利油田、東方氣田、長(zhǎng)慶油田等，國(guó)外伊拉克艾哈代布油田、哈法亞油田、伊朗北阿扎德甘油田等均采用導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)要求［19］。實(shí)際工程案例表明，導(dǎo)熱油間接式加熱系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景和良好的生產(chǎn)效果。