導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)及開(kāi)停車(chē)要點(diǎn)

（北京石油化工工程有限公司，北京 100107）

隨著石化行業(yè)的發(fā)展，將工藝物料加熱到400℃以上的情況越來(lái)越多，由于導(dǎo)熱油較高溫度下飽和蒸汽壓遠(yuǎn)小于水的飽和蒸汽壓表現(xiàn)出的獨(dú)特優(yōu)越性而得到廣泛應(yīng)用。除石化行業(yè)外，導(dǎo)熱油還廣泛用于合成纖維、印染、造紙、木材加工、建材等工業(yè)領(lǐng)域[1-3]。結(jié)合作者設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了導(dǎo)熱油系統(tǒng)在工程設(shè)計(jì)和開(kāi)停車(chē)調(diào)試階段的注意要點(diǎn)，希望通過(guò)此經(jīng)驗(yàn)?zāi)茏屧O(shè)計(jì)和生產(chǎn)人員有一個(gè)較系統(tǒng)的參考和借鑒。

1 導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)

典型的導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)是利用熱油循環(huán)泵將所要加熱的導(dǎo)熱油運(yùn)送到加熱裝置中進(jìn)行加熱，當(dāng)加熱到所需要的溫度后送至用熱設(shè)備供熱，再經(jīng)油過(guò)濾器和油氣分離器排出不凝氣和膠、碳等雜質(zhì)后返回?zé)嵊脱h(huán)泵入口，一直循環(huán)下去[4-7]。

1.1 導(dǎo)熱油品種的選擇

導(dǎo)熱油品種的選擇，首先要考察導(dǎo)熱油的物化性能指標(biāo)，然后重點(diǎn)考慮導(dǎo)熱油的最高使用溫度，再結(jié)合價(jià)格和使用壽命進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

導(dǎo)熱油可分礦物油與合成油。礦物油價(jià)格低廉，相對(duì)密度小，常溫下飽和蒸汽壓低，無(wú)需氮封，允許使用溫度一般不得高于320℃。合成油穩(wěn)定性好，允許使用溫度可達(dá)400℃，但價(jià)格昂貴，約為礦物油的3倍，常溫下飽和蒸汽壓高，系統(tǒng)需用氮封，凝固點(diǎn)較高，約為12℃，整個(gè)系統(tǒng)需要伴熱。

導(dǎo)熱油的最高允許使用溫度應(yīng)比工藝要求的導(dǎo)熱油最高工作溫度高25～30℃，嚴(yán)禁導(dǎo)熱油超溫使用。當(dāng)使用電加熱導(dǎo)熱油爐時(shí)，要核算電加熱管表面可能達(dá)到的最高溫度，不得超過(guò)導(dǎo)熱油的允許膜溫，以防電熱管表面結(jié)焦炭化，燒毀電熱管[8]。導(dǎo)熱油的允許膜溫與最高允許使用溫度差一般取20～30℃。

1.2 導(dǎo)熱油系統(tǒng)的裝填量

導(dǎo)熱油系統(tǒng)的裝填量應(yīng)根據(jù)加熱系統(tǒng)的具體情況來(lái)確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)熱油系統(tǒng)的裝填量可按照導(dǎo)熱油爐本體內(nèi)的油容量、所有用熱設(shè)備內(nèi)的油容量、膨脹槽內(nèi)的油容量、加熱系統(tǒng)管線(xiàn)內(nèi)的油容量之和的1.2倍計(jì)算。

1.3 導(dǎo)熱油爐的選型

導(dǎo)熱油爐為特殊設(shè)備（一般由專(zhuān)業(yè)工廠(chǎng)制造），按照燃料類(lèi)型可分為燃煤、燃?xì)?、燃油、電加熱系列，爐型應(yīng)根據(jù)燃料來(lái)源、電站容量、環(huán)保要求和經(jīng)濟(jì)效益等因素綜合比較確定。導(dǎo)熱油爐的主要選擇參數(shù)是額定熱功率和設(shè)計(jì)使用溫度。額定熱功率根據(jù)計(jì)算熱功率在廠(chǎng)家定型系列產(chǎn)品中選用，計(jì)算熱功率按下式計(jì)算：

式中M——計(jì)算熱功率，kW；

Q——所有用熱設(shè)備的熱負(fù)荷，kW；

K1—— 加熱設(shè)備的熱效率；

K2——導(dǎo)熱油爐的熱效率。

導(dǎo)熱油爐的供熱溫度即工藝要求的導(dǎo)熱油最高工作溫度，一般應(yīng)比用熱設(shè)備中需加熱介質(zhì)的最高溫度高30～50℃。

圖1 導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow diagram of heat transfer oil heating system

導(dǎo)熱油爐爐管分為盤(pán)管式及鍋殼式，目前基本都選用盤(pán)管式。爐管設(shè)計(jì)溫度為管壁最高金屬溫度加至少15℃，爐管設(shè)計(jì)壓力為最高工作壓力加0.3 MPa，且不低于0.6 MPa。若導(dǎo)熱油爐采用電加熱器，電加熱管外表面溫度要比導(dǎo)熱油主流體溫度高得多，一般要高100～200℃，為避免該區(qū)域發(fā)生超溫、分解、變質(zhì)、結(jié)焦等現(xiàn)象，電加熱管外表面的最大功率密度一般不得超過(guò)0.02 mW/m2，若低溫下可安全啟動(dòng)，其功率密度可適當(dāng)提高。

1.4 儲(chǔ)油槽設(shè)計(jì)

儲(chǔ)油槽一般選用臥式罐，儲(chǔ)油槽容積應(yīng)不小于導(dǎo)熱油系統(tǒng)裝填量的1.2倍。正常生產(chǎn)時(shí)儲(chǔ)油槽微正壓操作，儲(chǔ)存冷態(tài)導(dǎo)熱油。設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)其設(shè)計(jì)壓力不應(yīng)小于0.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度需考慮事故工況下儲(chǔ)油槽接收導(dǎo)熱油爐來(lái)的熱態(tài)導(dǎo)熱油。

1.5 膨脹槽設(shè)計(jì)

膨脹槽一般選用臥式罐，膨脹槽的調(diào)節(jié)容積不小于系統(tǒng)導(dǎo)熱油膨脹量的1.3倍。一般系統(tǒng)初始注油以膨脹槽液位達(dá)到直徑的1/3 高度為基準(zhǔn)認(rèn)為注滿(mǎn)導(dǎo)熱油系統(tǒng)，最高工作溫度時(shí)膨脹槽液位達(dá)到直徑的2/3 高度，臥式罐中該區(qū)域體積約占總體積的60%，由此可得膨脹槽容積計(jì)算公式如下：

式中V——膨脹槽體積，m3；

G——導(dǎo)熱油系統(tǒng)裝填量，m3；

ρ1——未加熱時(shí)導(dǎo)熱油密度，kg/m3；

ρ2——最高加熱溫度時(shí)導(dǎo)熱油密度，kg/m3。

若計(jì)算出的膨脹槽容積太大，可將膨脹的導(dǎo)熱油部分溢流至儲(chǔ)油槽，減小膨脹槽的容積。正常生產(chǎn)時(shí)膨脹槽微正壓操作，膨脹槽溫度不應(yīng)大于70℃。設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)其設(shè)計(jì)壓力不應(yīng)小于0.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度可取100℃。

1.6 油氣分離器設(shè)計(jì)

油氣分離器一般選用立式離心分離器，入口設(shè)在分離器中間，自圓周的切線(xiàn)方向進(jìn)入，在筒體內(nèi)作高速旋轉(zhuǎn)，由于離心分離的作用，導(dǎo)熱油內(nèi)混有的氣體水蒸氣從頂部排出，排氣后的導(dǎo)熱油從底部排出，在供熱系統(tǒng)內(nèi)繼續(xù)循環(huán)。一般分離器的直徑為入口管徑的兩倍，高度為入口管徑的四倍。

1.7 油過(guò)濾器的選型

導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)中一般安裝兩種過(guò)濾器，粗過(guò)濾器和細(xì)過(guò)濾器[9]。

粗過(guò)濾器用于濾除循環(huán)管路中的機(jī)械雜質(zhì)，粗過(guò)濾器過(guò)濾阻力較小，串聯(lián)設(shè)置在主循環(huán)管道中為宜，并應(yīng)緊挨熱油循環(huán)泵吸入口前端和導(dǎo)熱油爐回油進(jìn)口處。在注油泵吸入口前也應(yīng)設(shè)置粗過(guò)濾器，以濾除注入系統(tǒng)的新導(dǎo)熱油中可能帶入的機(jī)械雜質(zhì)。粗過(guò)濾器分為Y 形、T 形、籃式過(guò)濾器。一般管徑≤100 mm時(shí)用Y 形過(guò)濾器，管徑≥150 mm時(shí)用T 形過(guò)濾器，管徑≥400 mm 用籃式過(guò)濾器。過(guò)濾網(wǎng)規(guī)格一般為30～60 目。粗過(guò)濾器至少設(shè)兩套，一開(kāi)一備。

細(xì)過(guò)濾器用于濾除導(dǎo)熱油因長(zhǎng)期高溫工作產(chǎn)生的殘?zhí)己湍z狀瀝青質(zhì)，細(xì)過(guò)濾器過(guò)濾阻力較大，并聯(lián)安裝在主循環(huán)管道中為宜。細(xì)過(guò)濾器一般采用不銹鋼粉末燒結(jié)過(guò)濾器，過(guò)濾精度20 μm。一個(gè)系統(tǒng)中只需設(shè)一套細(xì)過(guò)濾器即可。

1.8 注油泵的選型

注油泵介質(zhì)為冷態(tài)導(dǎo)熱油，黏度大，一般選用自吸式齒輪泵，間斷運(yùn)行，單臺(tái)設(shè)備不用泵。注油泵的流量可根據(jù)導(dǎo)熱油的用量和合適的填充時(shí)間確定。注油泵的揚(yáng)程應(yīng)大于膨脹槽最高液位至儲(chǔ)油罐液位的垂直高度與進(jìn)出口管線(xiàn)阻力降之和。

1.9 熱油循環(huán)泵的選型

若導(dǎo)熱油爐采用廠(chǎng)家定型系列產(chǎn)品，熱油循環(huán)泵的流量可由廠(chǎng)家規(guī)定，但應(yīng)滿(mǎn)足GB/T 17410—2008《有機(jī)熱載體爐》的要求，輻射受熱管內(nèi)導(dǎo)熱油的流速不低于2 m/s，對(duì)流受熱管內(nèi)導(dǎo)熱油的流速不低于1.5 m/s，以避免受熱管內(nèi)導(dǎo)熱油過(guò)熱或積碳。如導(dǎo)熱油爐廠(chǎng)家沒(méi)有規(guī)定流量，可根據(jù)導(dǎo)熱油爐額定熱功率計(jì)算：

式中V——循環(huán)量，m3/h；

W——額定熱功率，kW；

Cp——操作狀態(tài)下導(dǎo)熱油比熱，kJ/（kg·K）；

ρ——操作狀態(tài)下導(dǎo)熱油密度，kg/m3；

ΔT—— 導(dǎo)熱油爐進(jìn)出口溫差，一般取15～25℃；1.1為安全系數(shù)。

若導(dǎo)熱油爐未采用廠(chǎng)家定型系列產(chǎn)品，熱油循環(huán)泵的流量可根據(jù)用熱設(shè)備的熱負(fù)荷計(jì)算。計(jì)算公式同上，區(qū)別在于W代表所有用熱設(shè)備的熱負(fù)荷，ΔT為用熱設(shè)備的導(dǎo)熱油進(jìn)出口溫差。計(jì)算所得流量乘以漏損系數(shù)即為熱油循環(huán)泵流量，漏損系數(shù)一般取1.05。

熱油循環(huán)泵的揚(yáng)程可根據(jù)整個(gè)供熱循環(huán)系統(tǒng)的壓力損失來(lái)計(jì)算：

式中H——熱油循環(huán)泵揚(yáng)程，m；

ΔP1——導(dǎo)熱油爐允許壓降，Pa；

ΔP2——用熱設(shè)備允許壓降，Pa；

ΔP3——循環(huán)系統(tǒng)管線(xiàn)壓降，Pa；

ΔP4—— 油過(guò)濾器允許壓降，Pa；1.1為安全系數(shù)。

若導(dǎo)熱油爐采用廠(chǎng)家定型系列產(chǎn)品，應(yīng)注意熱油泵計(jì)算壓頭不得超過(guò)導(dǎo)熱油爐允許使用壓力。管線(xiàn)壓降計(jì)算時(shí)，一般取導(dǎo)熱油流速在2～3 m/s，過(guò)低會(huì)影響載熱效率。

為了防止熱油循環(huán)泵發(fā)生汽蝕，必須保證泵的有效凈正吸入壓頭（NPSHa）大于必要凈正吸入壓頭（NPSHr），安全裕量一般取0.6～1 m，NPSHr為泵的形狀和轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的泵性能的固有指標(biāo)，由廠(chǎng)家提供。NPSHa由下式計(jì)算：

式中P——膨脹罐的壓力，m；

H—— 膨脹罐下切線(xiàn)至循環(huán)泵入口中心線(xiàn)的高度，m；

Hf——循環(huán)泵入口管線(xiàn)阻力降，m；

Hv—— 最高操作溫度下導(dǎo)熱油的飽和蒸汽壓，m。

熱油循環(huán)泵介質(zhì)為熱態(tài)導(dǎo)熱油，一般采用專(zhuān)用高溫?zé)嵊捅没蛩涫礁邷仄帘伪茫B續(xù)運(yùn)行，至少安裝兩臺(tái)，一用一備。

1.10 管道設(shè)計(jì)及系統(tǒng)布置原則

管道設(shè)計(jì)對(duì)于導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)的高效、安全運(yùn)行有著重要的意義，可以遵循下列建議：

（1）管路設(shè)置中盡量避免U 形配管；在高點(diǎn)設(shè)排氣閥，低點(diǎn)設(shè)放凈閥。

（2）較長(zhǎng)管線(xiàn)應(yīng)考慮熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)。為防止熱油泄露，盡量選用自然補(bǔ)償形式。

（3）除設(shè)備管口、儀表口或閥門(mén)等必須采用法蘭連接外，其他均采用焊接。法蘭宜選用對(duì)焊法蘭，不得選用平焊法蘭。密封面采用凹凸面或榫槽面。墊片采用金屬石墨纏繞墊或柔性石墨復(fù)合墊，不得使用石棉橡膠墊。

（4）切斷閥和安全閥均應(yīng)選用波紋管密封型式。

（5）管材不得選用鑄鐵或有色金屬材料。

（6）用熱設(shè)備的導(dǎo)熱油流向宜采取低進(jìn)高出以利排氣。

（7）膨脹槽安全膨脹管、放空管及儲(chǔ)油罐放空管的公稱(chēng)直徑按照導(dǎo)熱油爐供熱量在GB/T 17410—2008《有機(jī)熱載體爐》中選取。

（8）安全膨脹管應(yīng)是連續(xù)上升的，管線(xiàn)傾斜時(shí)其彎曲角度不得小于120 °。

（9）膨脹槽和安全膨脹管均不得保溫，以防膨脹槽中油溫太高。

（10）導(dǎo)熱油爐的緊急冷卻回液管線(xiàn)上在靠近導(dǎo)熱油爐處應(yīng)設(shè)置雙閥。

系統(tǒng)布置要求導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)應(yīng)盡量靠近用熱設(shè)備，以減少熱損失和操作費(fèi)用，可以遵循下列建議：

（1）膨脹槽不得在導(dǎo)熱油爐的正上方安裝，以避免膨脹泄露的導(dǎo)熱油引起火災(zāi)。膨脹槽底面必須高出所有用熱設(shè)備及輸送管道的最高點(diǎn)1.5 m 以上。

（2）儲(chǔ)油槽放在地面上以便接收系統(tǒng)中所有的導(dǎo)熱油；導(dǎo)熱油爐與儲(chǔ)油槽之間用隔墻隔開(kāi)。

（3）導(dǎo)熱油爐、熱油循環(huán)泵、注油泵等均應(yīng)布置在底層。

（4）熱油循環(huán)泵宜靠近導(dǎo)熱油爐布置。

（5）油氣分離器靠近膨脹槽布置，可與膨脹槽設(shè)在同一平面。

（6）導(dǎo)熱油爐一般布置在裝置一側(cè)，若區(qū)域很大，可布置在裝置中間。

2 導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)開(kāi)停車(chē)要點(diǎn)

2.1 注油冷態(tài)調(diào)試

（1）系統(tǒng)氮?dú)庵脫Q合格后，使用膨脹槽氮封。

（2）注油：儲(chǔ)油槽內(nèi)按設(shè)計(jì)要求裝入已化驗(yàn)合格的導(dǎo)熱油，開(kāi)啟注油泵注油，直至膨脹槽低液位不報(bào)警，一般取膨脹槽高度的1/3，關(guān)閉注油泵，核對(duì)實(shí)際注油量與設(shè)計(jì)量是否一致，如差異較大，應(yīng)進(jìn)行全面排查，尤其注意法蘭處是否漏油，并做好記錄。

（3）冷循環(huán)：不得使用細(xì)過(guò)濾器，啟動(dòng)熱油循環(huán)泵，打開(kāi)膨脹槽放空閥，間斷性開(kāi)啟管道放空閥，觀察膨脹槽液位是否下降，及時(shí)補(bǔ)充導(dǎo)熱油，以保持一定液位。清理粗過(guò)濾器2～3次后，取油樣進(jìn)行分析并記錄。

2.2 升溫?zé)釕B(tài)調(diào)試

（1）點(diǎn)火升溫：?jiǎn)?dòng)導(dǎo)熱油爐，系統(tǒng)開(kāi)始升溫，初期升溫速度不宜過(guò)快，建議以10℃/h的升溫速度升溫至90℃。

（2）脫水排汽：脫水過(guò)程集中在90～130℃，控制升溫速度不超過(guò)5℃/h，當(dāng)升溫穩(wěn)定、熱油循環(huán)泵壓力和電流穩(wěn)定、膨脹槽不冒汽、膨脹槽底部和泵入口沒(méi)有水擊聲時(shí)，認(rèn)為脫水排汽完畢，再在該溫度區(qū)間繼續(xù)運(yùn)行2～3 h，不宜過(guò)快，防止發(fā)生突沸，造成設(shè)備及人員損傷。

（3）繼續(xù)升溫：200℃以?xún)?nèi)，升溫速度仍需謹(jǐn)慎，建議以20～30℃/h 繼續(xù)升溫至200℃，應(yīng)注意可能存在于系統(tǒng)死角處的水分。當(dāng)溫度升至200℃時(shí)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行一次全面檢查，防止熱膨脹引起泄漏。

（4）排輕組分：升溫至200℃時(shí)要減緩升溫速度，以不超過(guò)5℃/h的升溫速度升溫至230℃，進(jìn)行脫輕組分過(guò)程。觀察壓力、壓差，系統(tǒng)穩(wěn)定后，方可準(zhǔn)許繼續(xù)升溫至工藝操作溫度。

（5）升溫階段使用細(xì)過(guò)濾器，用于清除導(dǎo)熱油因高溫產(chǎn)生的殘?zhí)己湍z狀瀝青質(zhì)。

2.3 升至工作溫度

以40℃/h的升溫速率升至工作溫度，運(yùn)行正常后取油樣分析。

2.4 停爐

（1）正常停爐：導(dǎo)熱油系統(tǒng)的正常停車(chē)，要利用各用熱設(shè)備逐漸將熱量消耗。裝置降低負(fù)荷的同時(shí)，導(dǎo)熱油爐要進(jìn)行降溫，以≤30℃/h的速度將導(dǎo)熱油爐出口溫度降至200℃恒溫，使各用戶(hù)產(chǎn)品切到不合格管線(xiàn)后，大流量循環(huán)熱油繼續(xù)降溫；降溫至150℃下，當(dāng)燃燒系統(tǒng)控制無(wú)法保證降溫速度時(shí)，停導(dǎo)熱油加熱爐；將風(fēng)機(jī)調(diào)至大風(fēng)吹掃開(kāi)度，熱油泵繼續(xù)循環(huán)，直至熱油溫度降到100℃下才能停泵，待自然冷卻到常溫后將系統(tǒng)導(dǎo)熱油打回儲(chǔ)油槽。

（2）異常停爐：出現(xiàn)突然停電及泵故障時(shí)，應(yīng)保證爐內(nèi)油品以最快的速度進(jìn)行冷油置換，撤回儲(chǔ)油槽，盡量減少爐內(nèi)的停滯過(guò)熱過(guò)程，保護(hù)油品。

3 結(jié)論

導(dǎo)熱油加熱技術(shù)是國(guó)家重點(diǎn)科技推廣的新型節(jié)能技術(shù)，在石化、合成纖維等行業(yè)應(yīng)用非常廣泛。合理的設(shè)備設(shè)計(jì)選型、管道及系統(tǒng)布置、開(kāi)停車(chē)操作對(duì)導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)安全高效運(yùn)行具有重要意義。