預(yù)防導(dǎo)熱油變質(zhì)劣化的智能監(jiān)測系統(tǒng)研究

汪 琦 張慧芬 俞紅嘯 汪育佑

上海熱油爐設(shè)計開發(fā)中心

0 前言

導(dǎo)熱油在運行使用過程中會受到過熱超溫、氧化變質(zhì)、化學(xué)污染等因素的影響，從而會導(dǎo)致導(dǎo)熱油品質(zhì)發(fā)生變化。而在絕大多數(shù)情況下，導(dǎo)熱油的品質(zhì)變化是不可逆變化，且這些品質(zhì)變化輕則會導(dǎo)致導(dǎo)熱油的使用壽命縮短，重則會造成導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)的安全事故[1]。所以在導(dǎo)熱油的運行使用過程中，必須要重視導(dǎo)熱油品質(zhì)的實際狀況，并通過導(dǎo)熱油品質(zhì)變化的智能監(jiān)測系統(tǒng)，對導(dǎo)熱油品質(zhì)變化產(chǎn)生影響的因素和存在的問題，可按照專家診斷遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)給出的建議或方法予以及時迅速的解決。

1 過熱超溫

在導(dǎo)熱油爐內(nèi)傳熱過程中，爐管的外表面既受到爐膛火焰輻射的作用、內(nèi)表面又受到爐管內(nèi)導(dǎo)熱油的冷卻作用[2]，因此，爐管的內(nèi)表面溫度與邊界層內(nèi)的導(dǎo)熱油液膜溫度會始終高于導(dǎo)熱油的主流體溫度，這也就表明在導(dǎo)熱油的運行使用過程中，邊界層內(nèi)的導(dǎo)熱油會處在過熱超溫的狀態(tài)，而且還會存在著一定程度的過熱裂解現(xiàn)象。所以，爐管內(nèi)導(dǎo)熱油使用的時間越長，導(dǎo)熱油中超溫裂解產(chǎn)物的累積量也就會越多?？紤]到導(dǎo)熱油在正常使用過程中會存在一定程度的過熱超溫，但只要所選擇的導(dǎo)熱油熱穩(wěn)定性足夠好，導(dǎo)熱油爐設(shè)計的輻射受熱面積和對流受熱面積的計算選取又是正確合理的，并且還保證輻射爐管內(nèi)導(dǎo)熱油流速大于2.5 m/s，對流爐管內(nèi)導(dǎo)熱油流速大于2.0 m/s，且導(dǎo)熱油爐開車升溫過程和運行操作方式是正確無誤[3]，導(dǎo)熱油的過熱裂解量一年控制在2%～3%范圍內(nèi)，這樣在導(dǎo)熱油的正常運行操作過程中，導(dǎo)熱油的過熱超溫對導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)安全和運行的影響是在可控范圍內(nèi)的。

過熱超溫造成導(dǎo)熱油的裂解和聚合反應(yīng)，其后果是導(dǎo)熱油原有的化學(xué)成分會形成為沸點更低的裂解產(chǎn)物和沸點更高的聚合產(chǎn)物，即是低沸物和高沸物。低沸物在運行條件下會部分氣化，并以氣泡的形式在導(dǎo)熱油內(nèi)存在，而導(dǎo)熱油內(nèi)的氣泡會使循環(huán)油泵出現(xiàn)氣蝕，并使得爐管的傳熱效果進(jìn)一步惡化，最終造成導(dǎo)熱油加劇過熱裂解。高沸物在運行使用過程中會增加導(dǎo)熱油的黏度，從而惡化爐管的傳熱效果，且會造成導(dǎo)熱油加劇過熱裂解，此外，還有可能在爐管壁面上形成結(jié)焦，使管壁進(jìn)一步增加熱阻，并導(dǎo)致爐管過熱而產(chǎn)生爆管[4]，同時由于導(dǎo)熱油自身品質(zhì)劣化的原因，加上原有各種缺陷繼續(xù)產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致了導(dǎo)熱油在高溫加熱使用的情況下受到變質(zhì)產(chǎn)物的影響，會加快導(dǎo)熱油品質(zhì)劣化，致使導(dǎo)熱油品質(zhì)從量變發(fā)展到質(zhì)變，最終使其整體狀況發(fā)生根本性的變化，從而造成導(dǎo)熱油的徹底報廢，或者釀成導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)的安全事故發(fā)生。

導(dǎo)熱油在高溫條件下長期工作，受到高溫加熱的作用，如果導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)的設(shè)計上有缺陷問題、生產(chǎn)工藝條件不合理、導(dǎo)熱油類型牌號選擇不合適、導(dǎo)熱油使用運行操作方式不正確、不規(guī)范等，只要其中任何一種原因存在，并在某種生產(chǎn)工況條件下引發(fā)該種原因?qū)?dǎo)熱油傳熱過程的不良影響，都會造成導(dǎo)熱油的嚴(yán)重過熱超溫。例如，第一種不合理情況是導(dǎo)熱油爐的燃燒火焰或燃燒中心過于靠近某根爐管，造成該爐管局部受熱太強而引發(fā)過熱超溫[5]。第二種不合理情況是循環(huán)供熱系統(tǒng)內(nèi)沒有設(shè)置自動流量旁路調(diào)節(jié)閥，在生產(chǎn)工藝負(fù)荷變動時不能使循環(huán)供熱系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)熱油的流量保持穩(wěn)定，造成輸入導(dǎo)熱油爐的流量減少后而引發(fā)過熱超溫。第三種不合理情況是導(dǎo)熱油的最高允許使用溫度與導(dǎo)熱油的最高工作溫度過于接近，造成導(dǎo)熱油在過高的操作溫度下長期工作而引發(fā)的過熱超溫。第四種不合理情況是如果發(fā)生了停電或緊急停泵的意外情況，且在導(dǎo)熱油爐的爐膛溫度尚未完全冷卻下來之前就去關(guān)停循環(huán)油泵，從而造成爐膛內(nèi)部的高溫蓄熱全部釋放出來，并對爐管內(nèi)停止流動的導(dǎo)熱油進(jìn)行連續(xù)不斷的加熱，因此引發(fā)導(dǎo)熱油過熱超溫。從上述各種不合理情況可以看出，導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)、導(dǎo)熱油類型牌號選擇、生產(chǎn)運行操作方式、導(dǎo)熱油爐與用熱設(shè)備以及管道安裝調(diào)試等各個組成環(huán)節(jié)都存在著相互依存、相互作用、相互影響的關(guān)系[6]，一旦它們相互之間的正常關(guān)系遭到破壞，就會對它們的正常運行產(chǎn)生不良影響，并會在安全生產(chǎn)方面造成嚴(yán)重的危害。導(dǎo)熱油本身由于具有對溫度非常敏感的弱點，所以，無論是導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)受到何種原因帶來的不利影響，都會使處在高溫條件下的導(dǎo)熱油受到過熱超溫的嚴(yán)重危害，從而導(dǎo)致導(dǎo)熱油變質(zhì)劣化。

2 氧化變質(zhì)

如果在高位膨脹槽內(nèi)的導(dǎo)熱油溫度超過70 ℃以上，并且與周圍環(huán)境中的空氣接觸時，都會發(fā)生氧化反應(yīng)，最終會形成氧化產(chǎn)物。而且導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)長期工作在高溫條件下，當(dāng)與空氣接觸時，其氧化反應(yīng)速度通常要比在常溫下的氧化反應(yīng)速度高出數(shù)十倍，甚至上百倍，導(dǎo)熱油極其容易在敞開式高位膨脹槽內(nèi)發(fā)生快速氧化變質(zhì)[7]。另外，如果是生產(chǎn)工藝操作條件不穩(wěn)定，則會造成導(dǎo)熱油工作溫度上下波動，從而會進(jìn)一步推動導(dǎo)熱油加速氧化變質(zhì)。特別是在間歇式生產(chǎn)操作條件下，或者是熱負(fù)荷及操作使用溫度頻繁變化的條件下，都會導(dǎo)致敞開式高位膨脹槽內(nèi)的導(dǎo)熱油液位大幅度上下波動。并且由于敞開式高位膨脹槽內(nèi)的導(dǎo)熱油溫度一般會更加高些，從而造成敞開式高位膨脹槽中的內(nèi)、外空氣頻繁流動，空氣和導(dǎo)熱油表面之間的攪動接觸也就會更加劇烈，從而使得導(dǎo)熱油的氧化反應(yīng)速度更加快，導(dǎo)熱油的氧化變質(zhì)后果也越嚴(yán)重。

導(dǎo)熱油開始發(fā)生氧化時，其顏色是逐漸加深、且黏度增大。隨著導(dǎo)熱油的氧化反應(yīng)加劇，其酸值會明顯增加、黏度會繼續(xù)加大，從而導(dǎo)致其傳熱效果進(jìn)一步惡化，最終產(chǎn)生過熱超溫的問題。導(dǎo)熱油如果進(jìn)一步繼續(xù)氧化變質(zhì)，則可使導(dǎo)熱油形成為固態(tài)物質(zhì)，再加上導(dǎo)熱油黏度升高的不利影響，都會嚴(yán)重影響導(dǎo)熱油爐的傳熱過程，并加劇導(dǎo)熱油超溫裂解的程度。同時也會因為超溫裂解的進(jìn)一步加劇，從而產(chǎn)生更多的低沸物和高沸物。但是，低沸物的排放過程又會加速導(dǎo)熱油的老化，且高沸物的存在會加劇爐管結(jié)焦積垢的可能性。所以，在導(dǎo)熱油的運行使用過程中，由于氧化和過熱兩種因素的相互作用及相互影響，最后會形成導(dǎo)熱油變質(zhì)劣化的惡性循環(huán)過程，從而會導(dǎo)致導(dǎo)熱油品質(zhì)的持續(xù)劣化，直至導(dǎo)熱油的最終報廢。

3 化學(xué)污染

導(dǎo)熱油的化學(xué)污染主要來自于導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)的外部環(huán)境，一般是有兩種途徑可能會導(dǎo)致化學(xué)污染發(fā)生。一種途徑是生產(chǎn)工藝過程中換熱設(shè)備內(nèi)的被加熱介質(zhì)泄漏。因為在換熱設(shè)備內(nèi)，如果當(dāng)被加熱介質(zhì)一側(cè)的操作壓力高于導(dǎo)熱油一側(cè)的操作壓力時，并且換熱設(shè)備內(nèi)又存在有制造焊接缺陷的情況下，換熱設(shè)備內(nèi)就有可能會發(fā)生被加熱介質(zhì)的泄漏污染導(dǎo)熱油的情況[8]。另一種途徑是導(dǎo)熱油在運輸、儲存和注入導(dǎo)熱油爐內(nèi)的過程中被污染，從而使得污染物進(jìn)入了導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)內(nèi)；或者是新安裝的用熱設(shè)備及供熱管道中未能清除干凈內(nèi)部存在的污染物質(zhì)，造成了導(dǎo)熱油進(jìn)入后被其污染。所以，化學(xué)污染是由于其它組分的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入了導(dǎo)熱油內(nèi)，導(dǎo)致了導(dǎo)熱油的化學(xué)污染，且難以用簡單的方法將其去除。因此，化學(xué)污染會給導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)的安全操作帶來嚴(yán)重危害，同時也在經(jīng)濟費用和資源使用上帶來很大的浪費。

其它組分的化學(xué)物質(zhì)由于在高溫狀態(tài)下不具有良好的熱穩(wěn)定性，所以，其它組分的化學(xué)物質(zhì)在導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)中存在，就有可能會發(fā)生如下兩種危險情況：一種情況是其它組分的化學(xué)物質(zhì)會在高溫作用下發(fā)生裂解和聚合，形成高沸物和低沸物，同時造成導(dǎo)熱油的品質(zhì)發(fā)生變化，并引起導(dǎo)熱油爐內(nèi)傳熱過程的損壞以及傳熱效果的惡化；另一種情況是其它組分的化學(xué)物質(zhì)與導(dǎo)熱油會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致導(dǎo)熱油的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，此種情況的危險性不僅在于其它組分的化學(xué)物質(zhì)污染了導(dǎo)熱油，更重要的是如果在高溫條件下，其它組分的化學(xué)物質(zhì)與導(dǎo)熱油在運行使用過程中發(fā)生不明后果的化學(xué)反應(yīng)，就會給導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)的運行操作帶來更大的危險和事故。

4 智能監(jiān)測系統(tǒng)

智能監(jiān)測系統(tǒng)包括導(dǎo)熱油樣品分析和品質(zhì)變化的智能監(jiān)測、導(dǎo)熱油爐運行的智能監(jiān)控、導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)運行的智能監(jiān)控以及專家診斷遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

4.1 導(dǎo)熱油樣品分析和品質(zhì)變化的智能監(jiān)測

1）導(dǎo)熱油樣品分析的智能監(jiān)測

智能監(jiān)測導(dǎo)熱油樣品分析及使用壽命，包括分析導(dǎo)熱油的主要技術(shù)指標(biāo)黏度、閃點、酸值、殘?zhí)?、餾程等，評估導(dǎo)熱油的可用性及其使用壽命。智能監(jiān)測系統(tǒng)可顯示導(dǎo)熱油在運行使用過程中各項主要技術(shù)指標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計與趨勢曲線，并可顯示評估導(dǎo)熱油可用性和使用壽命的各項主要數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計與趨勢曲線。導(dǎo)熱油還未發(fā)生嚴(yán)重的變質(zhì)劣化時，即可采取事前預(yù)防處理的措施，對導(dǎo)熱油進(jìn)行樣品分析及品質(zhì)檢測，并按照遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)專家診斷給出的建議或方法去解決生產(chǎn)運行中遇到的實際問題，從而延長導(dǎo)熱油的使用壽命。

2）導(dǎo)熱油過熱超溫的智能監(jiān)測

在運行使用過程中的導(dǎo)熱油過熱超溫及其對導(dǎo)熱油品質(zhì)的危害程度[9]，可以采用導(dǎo)熱油樣品分析的方法對其進(jìn)行準(zhǔn)確的定性和定量檢測。因此，導(dǎo)熱油在運行使用過程中由于過熱超溫的原因?qū)е缕淦焚|(zhì)變化，就可以通過導(dǎo)熱油樣品分析中的高沸物、低沸物、黏度、不溶物等幾項檢測指標(biāo)的變化加以判定和量化。智能監(jiān)測系統(tǒng)可顯示導(dǎo)熱油過熱超溫及品質(zhì)變化的各項主要數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計與趨勢曲線，并按照遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)專家診斷給出的建議或方法去解決生產(chǎn)運行中遇到的導(dǎo)熱油過熱超溫問題。

3）導(dǎo)熱油氧化變質(zhì)的智能監(jiān)測

在運行使用過程中的導(dǎo)熱油氧化變質(zhì)及其對導(dǎo)熱油品質(zhì)的危害程度，可以采用導(dǎo)熱油樣品分析的方法對其進(jìn)行準(zhǔn)確的定性和定量檢測。因此，導(dǎo)熱油在運行使用過程中由于氧化變質(zhì)的原因?qū)е缕淦焚|(zhì)變化，就可以通過導(dǎo)熱油樣品分析中的酸值、黏度、不溶物等幾項檢測指標(biāo)的變化加以判定和量化。智能監(jiān)測系統(tǒng)可顯示導(dǎo)熱油氧化變質(zhì)及品質(zhì)變化的各項主要數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計與趨勢曲線，并按照專家診斷遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)給出的建議或方法去解決生產(chǎn)運行中遇到的導(dǎo)熱油氧化變質(zhì)問題。

4）導(dǎo)熱油化學(xué)污染的智能監(jiān)測

導(dǎo)熱油化學(xué)污染大多是偶然發(fā)生的，且以人為因素為主，所以，應(yīng)該在導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)的運行操作過程中和管理程序上予以事前防范[10]，避免事后處理，從而可防止導(dǎo)熱油化學(xué)污染事故的發(fā)生[11]。智能監(jiān)測系統(tǒng)可顯示導(dǎo)熱油化學(xué)污染及品質(zhì)變化的各項主要數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計與趨勢曲線，并按照遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)專家診斷給出的建議或方法去解決生產(chǎn)運行中遇到的導(dǎo)熱油化學(xué)污染問題。

4.2 導(dǎo)熱油爐運行的智能監(jiān)控

智能監(jiān)測導(dǎo)熱油爐運行的主要技術(shù)參數(shù)有進(jìn)出口油溫與溫差、進(jìn)出口壓力與壓差、爐膛溫度、排煙溫度、爐內(nèi)氧氣含量、爐排溫度與轉(zhuǎn)速、燃料消耗量、循環(huán)油泵的流量、揚程、電流與振動值、高位膨脹槽內(nèi)的油溫與液位等[12]，并對這些主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，按照遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)專家診斷給出的建議或方法去解決生產(chǎn)運行中遇到的實際問題。例如，敞開式高位膨脹槽內(nèi)的油溫過高將會加速導(dǎo)熱油的氧化變質(zhì)，縮短導(dǎo)熱油的使用壽命，故存在安全隱患。因此，按照遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)專家診斷給出的建議或方法如下：方法一是可以通過安裝敞開式高位膨脹槽的降溫裝置，可有效地降低敞開式高位膨脹槽內(nèi)的油溫，從而避免導(dǎo)熱油加速變質(zhì)劣化，并可防止發(fā)生敞開式高位膨脹槽噴油的安全事故；方法二是采用封閉式高位膨脹槽內(nèi)充填氮氣覆蓋的保護(hù)措施，并維持封閉式高位膨脹槽內(nèi)的導(dǎo)熱油液位，以隔絕封閉式高位膨脹槽內(nèi)的高溫導(dǎo)熱油直接與空氣接觸的機會，從而避免發(fā)生導(dǎo)熱油高溫氧化變質(zhì)。所以，導(dǎo)熱油爐運行的智能監(jiān)控和大數(shù)據(jù)分析，可提高導(dǎo)熱油爐的傳熱效果，從而可達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。

4.3 導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)運行的智能監(jiān)控

設(shè)置導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)運行的智能監(jiān)控系統(tǒng)，利用智能儀表、傳感器、觸摸屏、PLC 及通信控制技術(shù)，智能監(jiān)測導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)的運行過程[13]，智能控制導(dǎo)熱油爐的燃燒運行狀態(tài)，循環(huán)油泵的運行狀態(tài)，鼓、引風(fēng)機的運行狀態(tài)，導(dǎo)熱油的進(jìn)出口溫度與壓力，高位膨脹槽內(nèi)的油溫與液位等，并采取分類報警的方式，直至聯(lián)鎖停爐保護(hù)的方法，從而保證導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)運行是安全穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟合理的[14]，同時還可及時發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱油泄漏或噴油、循環(huán)油泵氣蝕、停泵等故障，并按照專家診斷遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)給出的建議或方法去解決這些故障，從而提高導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)運行的安全可靠性。

5 結(jié)束語

導(dǎo)熱油變質(zhì)劣化的主要原因是過熱超溫、氧化變質(zhì)、化學(xué)污染等因素造成的，并使導(dǎo)熱油的品質(zhì)變化基本上是不可恢復(fù)的，由此造成的導(dǎo)熱油組分發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)也是不可逆的，但又是可以進(jìn)行預(yù)防的。預(yù)防的關(guān)鍵措施是合理地優(yōu)化設(shè)計開發(fā)導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)，準(zhǔn)確無誤地選擇導(dǎo)熱油類型牌號，以及用熱設(shè)備的導(dǎo)熱油使用運行操作參數(shù)，正確合理地安裝調(diào)試與操作使用導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)，并對導(dǎo)熱油的樣品分析和品質(zhì)變化進(jìn)行智能監(jiān)測，對導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)運行進(jìn)行智能監(jiān)控，同時按照遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)專家診斷給出的建議或方法去迅速解決導(dǎo)熱油、導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)在運行使用過程中存在的各種缺陷和遇到的實際問題。

今后的設(shè)計開發(fā)目標(biāo)是通過計算機對導(dǎo)熱油、導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)建立全自動化的監(jiān)測分析和預(yù)警保護(hù)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這種數(shù)字化監(jiān)測預(yù)警與分析決策的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠?qū)?dǎo)熱油、導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)提供各類實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并可通過計算機網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、導(dǎo)出和分析決策等，從而進(jìn)一步實現(xiàn)對導(dǎo)熱油變質(zhì)劣化的精準(zhǔn)防控和對導(dǎo)熱油爐及循環(huán)供熱系統(tǒng)的安全監(jiān)控與預(yù)警保護(hù)。