國內(nèi)外導熱油系統(tǒng)設計差異的探討

張琪林 張藜藜

中海油石化工程有限公司 山東 青島 266101

導熱油系統(tǒng)是利用導熱油爐將有機熱載體加熱，通過導熱油循環(huán)泵進行強制循環(huán)將加熱后的導熱油輸送到各熱用戶，換熱后的導熱油再由熱用戶出油口匯集返回導熱油爐加熱，從而形成一個完整閉式循環(huán)的加熱系統(tǒng)。導熱油系統(tǒng)克服了電加熱、蒸汽加熱、明火加熱等熱效率低、循環(huán)利用率不高、影響環(huán)境、不易控制等諸多不利因素，具有高效、安全穩(wěn)定、運行可靠的特點。目前，導熱油供熱技術成熟，被廣泛應用于各行各業(yè)。本文介紹了導熱油系統(tǒng)的組成，著重介紹國內(nèi)外項目導熱油系統(tǒng)設計的異同點，總結導熱油系統(tǒng)的設計經(jīng)驗，旨在使設計人員在今后設計過程中取長補短，設計出更高效和更加安全可靠的導熱油系統(tǒng)。

1 導熱油系統(tǒng)組成

導熱油系統(tǒng)一般包括導熱油爐、膨脹罐單元、儲油罐單元、氮氣覆蓋及滅火單元、導熱油循環(huán)單元、導熱油裝卸單元、導熱油換熱單元、控制、儀表和安全保護單元以及相關管道等。

1.1 導熱油爐

導熱油爐是整個導熱油系統(tǒng)的核心設備，導熱油在爐內(nèi)被加熱到設定溫度，然后通過循環(huán)泵送往各熱用戶。導熱油爐由專業(yè)制造廠家生產(chǎn)，分燃煤、燃氣、燃油系列，設計人員應根據(jù)當?shù)厝剂蟻碓?、環(huán)保要求和經(jīng)濟效益三者比選，進行爐型的選擇。石油化工行業(yè)油氣資源豐富，一般選用燃油或燃氣的導熱油爐。

1.2 膨脹罐單元

膨脹罐應為臥式容器，主要用來吸收系統(tǒng)內(nèi)導熱油在工作溫度下因膨脹所增加的體積容量，其調節(jié)容積不應小于系統(tǒng)內(nèi)導熱油在工作溫度下膨脹量的1.3倍。膨脹罐不能安裝在導熱油爐的正上方，應設置在整個導熱油系統(tǒng)的最高點，且罐底部與導熱油系統(tǒng)最高點的垂直凈距不應小于1.5m，由獨立鋼架支托。為提高導熱油的使用壽命，膨脹罐上通常設置氮封系統(tǒng)。

1.3 儲油罐單元

儲油罐也應為臥式容器，容積應能接收系統(tǒng)中最大隔離空間的導熱油和系統(tǒng)所需要的適當補充儲備量。儲油罐宜安裝在整個導熱油系統(tǒng)的最低位置，以保證停車時，系統(tǒng)中的導熱油能全部返回儲油罐中。儲油罐頂部應安裝放空管。

1.4 氮氣覆蓋及滅火單元

氮氣覆蓋系統(tǒng)通常由氮氣罐、閥組、儀表及管路組成。氮氣罐應與高位膨脹罐連通以保證氮氣的持續(xù)供應。在膨脹罐頂部應設置壓力控制閥，當罐內(nèi)壓力低于設定值時，進入氮氣；當罐內(nèi)壓力高于設定值時，排出氮氣。

導熱油系統(tǒng)應配備滅火系統(tǒng)，滅火氣體宜用蒸汽或氮氣。滅火用氣量應保證15min內(nèi)至少可充滿3倍爐膛體積。氮氣滅火系統(tǒng)由氮氣罐、閥組、儀表及管路組成。

1.5 導熱油循環(huán)單元

導熱油循環(huán)泵是保證導熱油在系統(tǒng)中循環(huán)的重要設備，導熱油爐系統(tǒng)應采用強制循環(huán)注入式。循環(huán)泵應與導熱油的特性相適應，并能在規(guī)定的溫度下長期穩(wěn)定地運行，輸送能力應按導熱油爐額定流量的1.1倍選取。循環(huán)泵的吸入口，應減少吸入管路的阻力損失，以防發(fā)生汽蝕。

1.6 導熱油裝卸單元

裝卸單元由注油泵、管道、管件、閥門、法蘭、墊片、過濾器及儀表等組成，裝卸單元應能將導熱油注入循環(huán)系統(tǒng)，并在循環(huán)系統(tǒng)檢修時將導熱油抽回儲油罐中。注油泵應選有自吸能力的齒輪泵。

1.7 導熱油系統(tǒng)的安全控制儀表

導熱油系統(tǒng)的安全控制儀表主要有以下幾種；

導熱油出爐溫度——保證用戶的用熱溫度，避免超溫；

導熱油出爐壓力——保證用戶用熱壓力，避免超壓；

導熱油流量檢測——保證加熱爐內(nèi)導熱油的流量，保護加熱爐爐管安全；

膨脹罐液位檢測——保證系統(tǒng)中全部充滿熱油，保護熱油回路中的轉動設備及熱交換設備；

導熱油爐系統(tǒng)安全閥的設置——以防止超壓；

燃燒器的允許啟動信號——保證導熱油爐的安全；

爐膛火焰監(jiān)測報警——保證燃燒安全及穩(wěn)定。

2 國內(nèi)外導熱油系統(tǒng)設計的異同點

通過比對參與的國內(nèi)外油田地面設施導熱油供熱系統(tǒng)項目的設計文件，發(fā)現(xiàn)國外項目導熱油系統(tǒng)與國內(nèi)項目相比，還是有諸多不同。首先，國外導熱油系統(tǒng)在自動控制、聯(lián)鎖反饋等方面設置較為復雜，無論是導熱油爐本體的控制系統(tǒng)，還是整個導熱油系統(tǒng)的控制，國外項目相對來說設置較復雜，國內(nèi)項目導熱油系統(tǒng)則相對較簡單。其次，在導熱油系統(tǒng)的安全防護方面，國內(nèi)外項目的設計準則也有一定差異。比如，安全閥的設置，國外項目多按照項目要求，設置一用一備2組安全閥。國內(nèi)項目則視情況而定，可設置1組，也可設置兩組。另外，膨脹罐上安全閥放空排液罐的設置、膨脹罐的防燙等方面也各有特點。

2.1 國內(nèi)外項目導熱油系統(tǒng)的自動控制

導熱油爐控制系統(tǒng)集現(xiàn)場儀表，PLC 控制系統(tǒng)，電機控制與一體。控制儀表采用鉑熱電阻、數(shù)顯溫度控制比例調節(jié)儀、平衡流量計、磁翻板液位計、燃燒程序控制器、檢漏儀等組成?？刂葡到y(tǒng)能對整個導熱油的溫度、壓力、流量、液位進行檢測與控制，并使熱負荷進行全面自動控制，滿足安全、經(jīng)濟生產(chǎn)要求。

相較于國內(nèi)導熱油系統(tǒng)設計，國外項目導熱油系統(tǒng)控制方案更加復雜。導熱油爐及其控制系統(tǒng)多應用于工業(yè)生產(chǎn)，不允許突然停爐。因此，導熱油系統(tǒng)的設計，必須遵循高可靠性和高安全性的工業(yè)設計原則。在此原則下，列舉兩則案例以說明國外項目導熱油系統(tǒng)自動控制方案設計的特點。

2.1.1 膨脹罐的液位監(jiān)控

膨脹罐的液位是導熱油系統(tǒng)安全運行的一個重要參數(shù)，當膨脹罐液位下降到低于極限位置時，需自動停爐。國內(nèi)項目導熱油系統(tǒng)對膨脹罐液位的監(jiān)控一般設置1個就地液位計，1個遠傳液位計即可，液位達到設定低值時報警，液位繼續(xù)下降達到液位低低值時停爐。而國外導熱油系統(tǒng)除就地液位計外，遠傳液位計設置3個，三取二設置膨脹罐液位低報警，液位低低聯(lián)鎖停爐，以保證液位控制的可靠性。

2.1.2 導熱油系統(tǒng)流量的控制

導熱油在導熱油爐爐管內(nèi)流動時會形成一個邊界層，邊界層的厚度直接影響邊界層的介質溫度。邊界層越厚，邊界層溫度比導熱油溫度高，將使的邊界層超溫，從而導致導熱油分解、聚合成膠質，形成殘?zhí)砍练e于管壁，影響傳熱效果。如此惡性循環(huán)，如果導熱油一直超過最高使用溫度，就會導致變質，在爐壁上形成結焦，結焦將導致導熱油爐的損壞，甚至報廢。因此，要保證導熱油爐通過的導熱油量是恒定的。當熱負荷發(fā)生變化時，需要通過控制方案維持導熱油爐恒定流量。維持導熱油流量恒定的方法一般有：

導熱油爐總旁路循環(huán)。在導熱油系統(tǒng)的進出口總管間加設總旁路管道及調節(jié)閥門，來控制流量穩(wěn)定，以避免因流量減少而使導熱油在爐管內(nèi)流動過緩而結焦。

單臺導熱油爐旁路循環(huán)。在每臺導熱油爐出口管線和導熱油循環(huán)泵入口管線間設置旁通管線和旁通閥門，以保證每臺導熱油爐內(nèi)的正常工作流量。

國內(nèi)項目設計時，一般2種方法二選其一，即采用導熱油爐總旁路循環(huán)或單臺導熱油爐旁路循環(huán)來保證流量穩(wěn)定。而參與的國外項目設計時，其不僅設置了總旁路循環(huán)保證流量穩(wěn)定，而且設置了單臺導熱油爐的旁路循環(huán)。如圖1所示國外項目導熱油系統(tǒng)流量控制，圖中①處為單臺導熱油爐旁路循環(huán)，②處為導熱油爐總旁路循環(huán)。

圖1 國外項目導熱油系統(tǒng)流量控制

2.2 導熱油系統(tǒng)的安全保護

導熱油系統(tǒng)應具有報警和停爐的安全保護功能，采用PLC控制并自成系統(tǒng)，實現(xiàn)全自動控制。國內(nèi)外項目導熱油系統(tǒng)的安全保護的異同主要有以下幾點：

2.2.1 安全閥的設置

國外項目一般有Philosophy文件，就是整個項目需遵循的設計原則。其中超壓保護原則是根據(jù)美國石油學會API 520和API 521規(guī)范進行編制，為設備和管道明確最低的超壓保護方式。按照超壓保護原則的要求，導熱油系統(tǒng)所有安裝有安全閥的地方均設置為一用一備。而國內(nèi)項目無相關要求，如果適用場合停爐方便，安全閥校驗可行的話，可安裝1個工作安全閥。如果不允許隨時停爐，則可安裝一用一備2個安全閥，方便安全閥的校驗。

2.2.2 膨脹罐的負壓工況與保溫設計

膨脹罐的設計是否考慮負壓工況？當導熱油系統(tǒng)發(fā)生泄漏或膨脹罐向儲油罐放油時，如果頂部放空閥不打開的話，液位下降過快，來不及補進氮氣或空氣時，膨脹罐就會出現(xiàn)負壓工況。燃煤的導熱油爐，當出現(xiàn)突然停電時，還要進行冷油置換，就是利用膨脹罐的低溫導熱油流經(jīng)導熱油爐，保護爐管，冷油置換速度快的話，也可能會行程真空，造成膨脹罐的負壓工況。因此，膨脹罐設計時還是需要考慮負壓工況。

膨脹罐和膨脹管是否可保溫？對于這個問題，國內(nèi)規(guī)范明確規(guī)定，膨脹罐和膨脹管不應采取保溫措施。正常情況下，膨脹罐內(nèi)的導熱油不參與系統(tǒng)循環(huán)。初始工況加溫運行時，膨脹出系統(tǒng)的導熱油在此得到冷卻降溫，若保溫溫度降不下來，高溫下與空氣接觸會發(fā)生劇烈的氧化反應生成膠質物，影響導熱油品質。國外項目導熱油系統(tǒng)也沒有違背不做保溫的原則，而僅僅在操作人員容易接觸到的地方設置防燙屏以防燙。綜上，膨脹罐和膨脹管不需保溫，但最好有防燙措施。

2.3 導熱油放空排液罐的設置

導熱油膨脹罐上安全閥的放空，因為是考慮氮氣超壓工況，泄放氣體是氮氣，一般直接排空。本次案例國外項目設計，按照項目要求，增設了1個放空排液罐。放空排液罐作用主要是氣液分離，安全閥放空氣體先排入放空排液罐，放空排液罐內(nèi)氣體放空，如果有冷凝液體，會收集回流至儲油罐。正常泄放溫度70℃左右，最高不會超過130～140℃，在這個溫度下，導熱油仍然以液態(tài)形式存在，不會出現(xiàn)在泄放氣體中。因此，放空排液罐的設計沒有必要。

3 導熱油系統(tǒng)發(fā)展趨勢

目前正在運行的導熱油系統(tǒng)，導熱油爐多為盤管整裝型，此種形式的導熱油爐優(yōu)點是易于排凈爐管內(nèi)的介質，占地面積不大，為爐體水壓試驗及系統(tǒng)維修，更換導熱油方便。裝置大型化后，單臺導熱油爐熱負荷難以滿足要求，經(jīng)常需要多臺導熱油爐并聯(lián)為熱用戶提供熱量。因此，工廠模塊化、現(xiàn)場組裝的方式也常被利用。對于導熱油系統(tǒng)的膨脹罐和儲油罐，也存在裝置大型化后，設備形式的確定問題。運行系統(tǒng)中，膨脹罐和儲油罐多為臥式儲罐，對于大功率導熱油加熱系統(tǒng)，導熱油的裝填量很大，如果要求全部導熱油返回儲油罐中，儲油罐的容積很大，如果仍采用臥式結構，則占地面積較大。對于大型導熱油系統(tǒng)，可以采用新型結構，將膨脹罐置于儲油罐頂部，采用塔器結構，可節(jié)省占地面積，節(jié)約框架成本。

隨著國內(nèi)生產(chǎn)裝置的大型化，導熱油系統(tǒng)也在朝大型化發(fā)展進軍。如何使導熱油系統(tǒng)占地面積少、熱效率高、安裝工期縮短，是導熱油系統(tǒng)未來發(fā)展的方向。

4 結束語

導熱油系統(tǒng)是安全、環(huán)保、節(jié)能的熱能供給系統(tǒng)，相較于蒸汽系統(tǒng)，有顯著的社會和經(jīng)濟效益，是值得推廣的節(jié)能技術。設計人員在設計過程中，要充分了解導熱油系統(tǒng)的組成，不管國內(nèi)國外項目，都準確選擇設備類型，合理布置設備及管道的布置，合理優(yōu)化控制方案和安全措施，才能設計出更高效、安全可靠的導熱油系統(tǒng)。