導熱油爐供熱系統常見問題探討

陳玉梅 李尹建 周 暉 楊 泉

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

近年來，導熱油加熱爐供熱系統在工業生產領域中的應用日益廣泛，使用數量也成倍增加。導熱油能在較低壓力下獲得較高溫度，有較好的熱穩定性；但也易燃且滲透性強，一旦泄露易引起火災事故。因此，為了使導熱油爐供熱系統安全可靠運行，無論在設計制造上，還是在安裝使用上，每個環節都應嚴格執行有關標準規范。

1 導熱油爐供熱系統簡介及特點

1.1 簡介

導熱油爐供熱系統屬于間接加熱，燃料在爐內進行充分燃燒并通過輻射、對流方式傳遞給管內流動的作為加熱介質的導熱油；導熱油獲得熱量后用循環系統送至用熱設備，導熱油與用熱介質進行充分換熱后重新進入熱油爐加熱，如此往復循環將熱能源源不斷地傳遞給用熱介質。

1.2 特點

a）導熱油具有較高的熱容量和較低黏度，在常壓下導熱油的初餾點比水的蒸發溫度要高出數倍。以高溫傳熱用導熱油代替水蒸氣，就能以低壓供熱系統取代高壓供熱系統，降低設備和管道投資。導熱油可提供350 ℃高溫熱源而壓力只有0.5～0.8 MPa，系統安全性非常高。

b）導熱油很穩定，不會對熱油爐爐管造成腐蝕；不需要采取復雜的處理過程，長時間運行不易分解。

c）一套導熱油爐供熱系統可同時提供不同的用熱設備，并可根據用熱端熱負荷變化自動調節系統熱量分配，尤其適合大型供熱系統。

d）相比蒸汽系統，導熱油系統不需要大量的水處理設備，維護費用低、系統簡單、輸送方便［1］。

e）一套導熱油爐供熱系統可提供不同溫度段熱源（雙溫位或多溫位熱源），不僅滿足了熱用戶對熱媒參數的不同要求，且每個系統單獨設置熱油循環泵、環網系統流量和揚程的分解，節省了電耗，提高了泵效，節約了能源。在導熱油爐供回油溫差允許的情況下系統可擴展為多溫位多泵的分布式供熱系統［2］。

2 導熱油爐供熱系統常見問題

保證導熱油爐供熱系統的安全運行是系統設計的前提條件，為熱用戶提供符合供熱品質要求的熱源是最終目的。筆者結合工程實例就導熱油爐供熱系統設計、安裝的有關問題作如下探討。

2.1 正確選擇導熱油

根據導熱油的特定使用條件，所選用的導熱油必須符合一定的技術要求，須考慮的要點是較低的黏度，優良的熱穩定性，盡可能高的閃點，良好的熱傳導性能，無腐蝕、無毒、不易燃，使用后的廢棄油品易于處理［3］。

由于導熱油的低溫黏度會影響到導熱油爐供熱系統在可能的最低溫度條件下的啟動，尤其當系統或設備處于室外且沒有輔助加熱條件時，導熱油的低溫黏度顯得尤為重要，故其黏度應能滿足系統在特定低溫條件下啟動的基本要求。導熱油的工作黏度對其在管道中的流動性質、流動阻力大小有重要影響，導熱油的適當黏度和管內流動的紊流狀態可以加強熱交換效果。

導熱油的熱穩定性對于供熱系統的操作安全性具有重要的意義。一般情況下，大多數導熱油都是混合物質，由于其中低沸點物質會在正常操作條件下被蒸發，這些低沸點物質還會降低導熱油的黏度和閃點，并對其傳熱性能產生嚴重的影響，故導熱油中的低沸點物質必須被排出。如果導熱油的操作溫度繼續升高，其中高沸點物質將會發生“縮聚”，從而產生一些高黏度物質，這些膠（焦）質狀物質會粘附（沉積）在管道和換熱設備的換熱面上，嚴重影響設備的換熱效果和供熱系統的循環。

另外，在導熱油使用溫度選擇上，導熱油的最高使用溫度必須高于導熱油爐設計規定的供熱溫度，并高于導熱油爐中任一受熱面部位的導熱油可能達到的最高實際工作溫度。一般來說，生產工藝中的用熱溫度必須低于導熱油設計供熱溫度＞20 ℃。液相爐運行中進出口油溫差一般應控制在20～40 ℃，不宜＞60 ℃。

2.2 推薦流速

SY/T 0524-2008《導熱油加熱爐系統規范》第6.1.4條規定：為防止爐管中導熱油過熱分解與積碳，輻射管導熱油流速不應小于2 m/s，對流管導熱油流速不應小于1.5 m/s［4］。有機熱載體（導熱油）在受熱面管內流動會形成邊界層，其厚度會影響邊界層的介質溫度。邊界層越厚，該處介質溫度與主流溫度之差越大，使邊界超溫，導致導熱油分解、聚合成膠質，形成殘碳沉積于管壁。殘碳進一步惡化傳熱，加速導熱油變質、失效。邊界層厚薄與流體在管內流動狀態有關。流體力學理論認為，雷諾數Re≤2 230 時，管內呈層流；Re＞2 230 時，管內呈紊流。形成紊流狀態才能獲得較薄邊界層。

若導熱油流速過高，受熱面管內阻力則過大。以某工程設計為例，導熱油爐受熱管管徑為定值，導熱油爐進出導熱油溫差較小，在一定換熱量下循環油量較大，致使管內導熱油流速高達3 m/s，實測導熱油爐本體水力損失已高達0.4 MPa。實踐證明，導熱油流速達到1.5～3.0 m/s，雷諾數2 230＜Re≤4 000 時，導熱油在受熱面管內呈紊流狀態，既可得到較薄邊界層，強化傳熱，降低邊界層溫度，又不會有過大阻力。受熱面的熱負荷強度不同，管內導熱油流速要求也不一樣。輻射段管內流速≥2 m/s，對流段管內流速≥1.5 m/s，符合實際。

2.3 膨脹罐安裝位置

膨脹罐有儲存導熱油受熱膨脹量、補充導熱油、排除系統中氣體、置換熱介質的作用，是導熱油爐系統中的重要安全裝置。

《有機熱載體爐安全技術監察規程》［5］第21 條4款規定：膨脹罐一般不得安裝在有機熱載體爐的正上方，以防因膨脹而噴出的有機熱載體引起火災。膨脹罐的底部與有機熱載體爐頂部的垂直距離應不小于1.5 m，該點只是針對安全要求而言；但膨脹罐一般由獨立的鋼架托起，托起高度為導熱油通過最高點1 m以上，主要為穩定系統循環，并吸收因導熱油溫度的升高而產生的體積膨脹量；同時對循環泵的入口加壓，防止泵的汽蝕。

《有機熱載體爐安全技術監察規程》［5］第21 條6款規定：膨脹罐和膨脹管不得采取保溫措施，膨脹罐內的有機熱載體的溫度不應小于70 ℃。其目的是防止導熱油高溫氧化。導熱油的氧化速度與溫度有關，＜70 ℃時，氧化不明顯，＞100 ℃時，隨著溫度的升高，導熱油氧化速度加快，并迅速失效。

導熱油爐供熱系統在開始投運的脫氣過程中，一般是熱油經過膨脹罐，使系統內氣體通過膨脹罐排氣閥排出，這時溫度＞70 ℃?！队袡C熱載體爐安全技術監察規程》［5］對高溫的限制是為了避免導熱油在高溫狀態下出現高溫氧化，因此設計時應將膨脹罐設計為封閉容器，氣相空間應采用氮氣覆蓋，以避免高溫導熱油與空氣接觸。

新疆塔里木地區缺少水資源，為減少水資源的浪費，供熱系統常采用導熱油供熱系統。筆者所設計的幾個工程中，導熱油爐供熱系統都采取閉式循環，且對膨脹罐和儲油罐均設氮氣覆蓋系統，運行多年，每年取樣檢驗，導熱油的品質均無變化。經調研，該地區的導熱油爐供熱系統如果均未對膨脹罐和儲油罐設氮封保護系統或氮封運行效果不可靠，導熱油的品質都會出現不同程度的變質。

在實際應用中，可采用“液封”，保證膨脹罐、儲油罐的內導熱油與空氣的接觸。該方式容易實現，避免了氮氣消耗和因氮封系統控制失效而導致的油品變質。

2.4 儲油罐容積

儲油罐有存儲來自系統的導熱油，實現二次油汽（氣）分離及排氣，提供系統所需補充的導熱油，排除水分，冷卻熱油等作用。導熱油儲油罐應盡可能放在加熱系統最低位，以便放凈系統中的導熱油?！队袡C熱載體爐安全技術監察規程》［5］第22 條1 款規定：儲油罐的容積應不小于有機熱載體爐中有機熱載體總量的1.2 倍。在進行維護檢修時，需將導熱油爐本體、用熱設備、管路及附件內的導熱油全部放盡，因此儲油罐容積應能接收系統最大隔離空間的導熱油。

2.5 管路系統

2.5.1 增設旁路調節的必要性

當用熱設備減少，系統熱負荷降低時，導熱油的循環流量也隨之減少。若不及時調節，將造成受熱面管內導熱油流速過低的問題。因此，導熱油爐供、回油總管之間應裝設循環旁路管道及調節閥。根據用戶端的熱負荷變化，自動調整調節閥的開度，保證導熱油爐內所需的循環流量（爐內盤管定流量），維持爐內盤管導熱油流速為設計流速，避免出現因盤管內流速過低使盤管內導熱油過熱而結焦，影響使用壽命。

2.5.2 管路的嚴密性

雖然一般導熱油的閃點、燃點和自燃點較高，但仍屬于可燃物質，其滲透性極強。由于自身溫度高，又接近火焰，當導熱油爐循環系統內泄漏或滲出的油氣達到一定量時，就會被點燃或自燃，造成火災。因此導熱油爐供熱系統必須防泄漏。在設計過程中，可以采取以下措施預防泄漏［6］：

a）管道應采用焊接連接，必須使用法蘭連接時，應采用公稱壓力≥1.6 MPa 的榫槽式法蘭、平焊鋼法蘭或凹凸式法蘭，其墊片采用金屬網纏繞石墨墊片或膨脹石墨復合墊片作密封材料，以帶內外加強環結構型式最為適宜。

b）所有與導熱油接觸的管道應采用20＃ 無縫鋼管，管道及附件不得采用鑄鐵或有色金屬制造。安裝施工中，所有焊縫需試壓檢漏。

c）導熱油爐供熱系統中使用的閥門應耐油、耐高溫、抗滲透、耐壓且具備高熱強度。普通截止閥因結構原因，密封墊片和填料往往不能滿足導熱油高溫工作時的防滲透要求，易造成泄漏，因此，選用防漏性能較好的改進型波紋管截止閥。

2.5.3 管路系統試壓

通常導熱油爐供熱系統的工作壓力＜0.6 MPa，故導熱油爐供熱系統的管路壓力試驗，宜采用空氣試壓。工程上通常用水對管路系統進行試壓，但由于水壓試驗后不易將水排除干凈，殘余水分會因急劇受熱大量蒸發汽化，造成油路汽塞、循環不暢，引起暴沸噴油事故，危及安全運行。若導熱油爐供熱系統進行水壓試驗，則需在試驗后將系統管路中的水徹底排干凈，并應用壓縮空氣吹干系統，避免在系統內的管線低點、死角處留水。

2.6 系統運行

2.6.1 系統脫水排氣及升溫

水分對導熱油來說是一種污染，每一種新導熱油都或多或少的存在一些水分，新導熱油的水分含量一般控制在300×10-6以下，不會影響系統的正常運行。如果水分含量過高，會引起循環泵氣蝕，系統壓力上升，導致不必要的排放。因此“脫水操作”十分關鍵，“脫水操作”一般是通過高位膨脹罐進行，操作時首先使導熱油循環到系統所有部位，然后逐步升溫至100℃；當導熱油溫度升至100 ℃時，維持此溫度循環2～3 h，以脫除系統中可能殘存的水。系統流量壓力穩定后，排氣基本結束［6］。

確認系統中無水存在，并在工藝主體裝置允許時，才可繼續為導熱油升溫。用熱設備見液位后，在各級流量、壓力穩定后，逐步升高系統溫度，直到最高需求溫度。升溫速度通過調節溫度控制器以每10 ℃為1次增量升溫。每次升溫前，對其內部的導熱油還未形成流動的設備，應適當調試閥門，使其內部的導熱油加入到循環系統中，參與循環加熱以蒸發脫水。

系統運行時導熱油組分中的低沸點物質產生的油品蒸氣應通過系統設置的油氣分離器排放；也可設置排氣流程，系統運行一段時間后，定期打開輔助排氣閥，通過高位膨脹罐隨氮氣一起排放，保證系統的正常運行。

2.6.2 系統補油

導熱油在運行過程中有自然損耗，要注意及時補加，保證液相爐高位膨脹罐中的液位。在添加新導熱油時，注意脫除新導熱油中的微量水分。不可貿然將溫度升到＞100 ℃，否則會因突然超壓引起爆沸使導熱油大量流失，嚴重時甚至會使受壓元件破裂。在熱態運轉的系統內，不能直接加入未經脫水的冷介質。另添加新導熱油時，應添加同一品種油品，不同物性的油不能混合使用［7］。

2.6.3 系統停運

液體爐依靠循環泵強制循環，導熱油爐供熱系統停運時應先停加熱爐燃燒器，循環泵繼續運行，直至系統導熱油的溫度降至＜100 ℃，才可以停止循環泵運行。如一旦發生停電，循環泵停運時，要及時采取措施，避免盤管內導熱油因不流動而超溫（因為此時爐膛內的紅火與爐墻的高溫輻射足以使受熱面溫度升高）。如果沒有自備電源或不能立即啟動循環泵，應當先打開爐門，打開高位膨脹罐與爐體的連接閥門，讓高位膨脹罐內冷油流入爐內盤管，同時可將爐內熱油放入低位儲罐，必要時用手搖泵將低位槽的油抽向高位膨脹罐，保持爐內油的流動，直至爐膛溫度＜300 ℃，油出口溫度降至＜100 ℃為止［7］。

3 結論

為保證導熱油爐供熱系統的安全運行，除了要認真學習并貫徹執行 《有機熱載體爐安全技術監察規程》、SY/T 0524-2008 《導熱油加熱爐系統規范》、GB 23971-2009《有機熱載體》外，還要注意在貫徹標準規范的過程中，需處理好標準規范與實際相結合的問題，結合工程實際情況，對熱循環系統全盤考慮，設計出安全、合理、經濟，令顧客滿意的導熱油爐供熱系統。

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［3］周國慶，孫 濤.工業鍋爐安全技術手冊［M］.北京：化學工業出版社，2009.19-150.Zhou Guoqing，Sun Tao.Safety and Technical Manual of Industrial Boiler［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2009.19-150.

［4］SY/T 0524—2008，導熱油加熱爐系統規范［S］.SY/T 0524-2008，Code for Heater System with Heat-Transfer Oil［S］.

［5］勞部發［1993］356 號，有機熱載體爐安全技術監察規程［S］.The Labor Department Released ［1993］No.356，Safety Technology Inspection Procedures of Organic Carrier Heat Boiler［S］.

［6］馮維君.有機熱載體爐安全技術［M］.北京：中國鍋爐壓力容器安全雜志社，1994.73-108.Feng Weijun.Safety Technology of Organic Carrier Heat Boiler［M］.Beijing：Safety of Boiler and Vessel Press，1994.73-108.

［7］葉 帆，羊東明，付秀勇，等.大澇壩站導熱油系統運行工況分析及防護對策［J］.石油與天然氣化工，2007，36（6）：462-464.Ye Fan，Yang Dongming，Fu Xiuyong，et al.Analysis Operation Condition and the Preventive Countermeasures of Heater System with Heat-transfer Oil［J］.Oil and Natural Gas Chemical Industry，2007，36（6）：462-464.