導熱油加熱系統的工程設計及開停車要點

（北京石油化工工程有限公司，北京 100107）

隨著石化行業的發展，將工藝物料加熱到400℃以上的情況越來越多，由于導熱油較高溫度下飽和蒸汽壓遠小于水的飽和蒸汽壓表現出的獨特優越性而得到廣泛應用。除石化行業外，導熱油還廣泛用于合成纖維、印染、造紙、木材加工、建材等工業領域[1-3]。結合作者設計經驗，總結了導熱油系統在工程設計和開停車調試階段的注意要點，希望通過此經驗能讓設計和生產人員有一個較系統的參考和借鑒。

1 導熱油加熱系統的工程設計

典型的導熱油加熱系統工藝流程如圖1所示。導熱油加熱系統是利用熱油循環泵將所要加熱的導熱油運送到加熱裝置中進行加熱，當加熱到所需要的溫度后送至用熱設備供熱，再經油過濾器和油氣分離器排出不凝氣和膠、碳等雜質后返回熱油循環泵入口，一直循環下去[4-7]。

1.1 導熱油品種的選擇

導熱油品種的選擇，首先要考察導熱油的物化性能指標，然后重點考慮導熱油的最高使用溫度，再結合價格和使用壽命進行技術經濟比較后確定。

導熱油可分礦物油與合成油。礦物油價格低廉，相對密度小，常溫下飽和蒸汽壓低，無需氮封，允許使用溫度一般不得高于320℃。合成油穩定性好，允許使用溫度可達400℃，但價格昂貴，約為礦物油的3倍，常溫下飽和蒸汽壓高，系統需用氮封，凝固點較高，約為12℃，整個系統需要伴熱。

導熱油的最高允許使用溫度應比工藝要求的導熱油最高工作溫度高25～30℃，嚴禁導熱油超溫使用。當使用電加熱導熱油爐時，要核算電加熱管表面可能達到的最高溫度，不得超過導熱油的允許膜溫，以防電熱管表面結焦炭化，燒毀電熱管[8]。導熱油的允許膜溫與最高允許使用溫度差一般取20～30℃。

1.2 導熱油系統的裝填量

導熱油系統的裝填量應根據加熱系統的具體情況來確定。根據經驗，導熱油系統的裝填量可按照導熱油爐本體內的油容量、所有用熱設備內的油容量、膨脹槽內的油容量、加熱系統管線內的油容量之和的1.2倍計算。

1.3 導熱油爐的選型

導熱油爐為特殊設備（一般由專業工廠制造），按照燃料類型可分為燃煤、燃氣、燃油、電加熱系列，爐型應根據燃料來源、電站容量、環保要求和經濟效益等因素綜合比較確定。導熱油爐的主要選擇參數是額定熱功率和設計使用溫度。額定熱功率根據計算熱功率在廠家定型系列產品中選用，計算熱功率按下式計算：

式中M——計算熱功率，kW；

Q——所有用熱設備的熱負荷，kW；

K1—— 加熱設備的熱效率；

K2——導熱油爐的熱效率。

導熱油爐的供熱溫度即工藝要求的導熱油最高工作溫度，一般應比用熱設備中需加熱介質的最高溫度高30～50℃。

圖1 導熱油加熱系統工藝流程Fig.1 Process flow diagram of heat transfer oil heating system

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

1.4 儲油槽設計

儲油槽一般選用臥式罐，儲油槽容積應不小于導熱油系統裝填量的1.2倍。正常生產時儲油槽微正壓操作，儲存冷態導熱油。設備設計時其設計壓力不應小于0.6 MPa，設計溫度需考慮事故工況下儲油槽接收導熱油爐來的熱態導熱油。

1.5 膨脹槽設計

膨脹槽一般選用臥式罐，膨脹槽的調節容積不小于系統導熱油膨脹量的1.3倍。一般系統初始注油以膨脹槽液位達到直徑的1/3 高度為基準認為注滿導熱油系統，最高工作溫度時膨脹槽液位達到直徑的2/3 高度，臥式罐中該區域體積約占總體積的60%，由此可得膨脹槽容積計算公式如下：

式中V——膨脹槽體積，m3；

G——導熱油系統裝填量，m3；

ρ1——未加熱時導熱油密度，kg/m3；

ρ2——最高加熱溫度時導熱油密度，kg/m3。

若計算出的膨脹槽容積太大，可將膨脹的導熱油部分溢流至儲油槽，減小膨脹槽的容積。正常生產時膨脹槽微正壓操作，膨脹槽溫度不應大于70℃。設備設計時其設計壓力不應小于0.6 MPa，設計溫度可取100℃。

1.6 油氣分離器設計

油氣分離器一般選用立式離心分離器，入口設在分離器中間，自圓周的切線方向進入，在筒體內作高速旋轉，由于離心分離的作用，導熱油內混有的氣體水蒸氣從頂部排出，排氣后的導熱油從底部排出，在供熱系統內繼續循環。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 油過濾器的選型

導熱油加熱系統中一般安裝兩種過濾器，粗過濾器和細過濾器[9]。

粗過濾器用于濾除循環管路中的機械雜質，粗過濾器過濾阻力較小，串聯設置在主循環管道中為宜，并應緊挨熱油循環泵吸入口前端和導熱油爐回油進口處。在注油泵吸入口前也應設置粗過濾器，以濾除注入系統的新導熱油中可能帶入的機械雜質。粗過濾器分為Y 形、T 形、籃式過濾器。一般管徑≤100 mm時用Y 形過濾器，管徑≥150 mm時用T 形過濾器，管徑≥400 mm 用籃式過濾器。過濾網規格一般為30～60 目。粗過濾器至少設兩套，一開一備。

細過濾器用于濾除導熱油因長期高溫工作產生的殘碳和膠狀瀝青質，細過濾器過濾阻力較大，并聯安裝在主循環管道中為宜。細過濾器一般采用不銹鋼粉末燒結過濾器，過濾精度20 μm。一個系統中只需設一套細過濾器即可。

1.8 注油泵的選型

注油泵介質為冷態導熱油，黏度大，一般選用自吸式齒輪泵，間斷運行，單臺設備不用泵。注油泵的流量可根據導熱油的用量和合適的填充時間確定。注油泵的揚程應大于膨脹槽最高液位至儲油罐液位的垂直高度與進出口管線阻力降之和。

1.9 熱油循環泵的選型

若導熱油爐采用廠家定型系列產品，熱油循環泵的流量可由廠家規定，但應滿足GB/T 17410—2008《有機熱載體爐》的要求，輻射受熱管內導熱油的流速不低于2 m/s，對流受熱管內導熱油的流速不低于1.5 m/s，以避免受熱管內導熱油過熱或積碳。如導熱油爐廠家沒有規定流量，可根據導熱油爐額定熱功率計算：

式中V——循環量，m3/h；

W——額定熱功率，kW；

Cp——操作狀態下導熱油比熱，kJ/（kg·K）；

ρ——操作狀態下導熱油密度，kg/m3；

ΔT—— 導熱油爐進出口溫差，一般取15～25℃；1.1為安全系數。

若導熱油爐未采用廠家定型系列產品，熱油循環泵的流量可根據用熱設備的熱負荷計算。計算公式同上，區別在于W代表所有用熱設備的熱負荷，ΔT為用熱設備的導熱油進出口溫差。計算所得流量乘以漏損系數即為熱油循環泵流量，漏損系數一般取1.05。

熱油循環泵的揚程可根據整個供熱循環系統的壓力損失來計算：

式中H——熱油循環泵揚程，m；

ΔP1——導熱油爐允許壓降，Pa；

ΔP2——用熱設備允許壓降，Pa；

ΔP3——循環系統管線壓降，Pa；

ΔP4—— 油過濾器允許壓降，Pa；1.1為安全系數。

若導熱油爐采用廠家定型系列產品，應注意熱油泵計算壓頭不得超過導熱油爐允許使用壓力。管線壓降計算時，一般取導熱油流速在2～3 m/s，過低會影響載熱效率。

為了防止熱油循環泵發生汽蝕，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為泵的形狀和轉速決定的泵性能的固有指標，由廠家提供。NPSHa由下式計算：

式中P——膨脹罐的壓力，m；

H—— 膨脹罐下切線至循環泵入口中心線的高度，m；

Hf——循環泵入口管線阻力降，m；

Hv—— 最高操作溫度下導熱油的飽和蒸汽壓，m。

熱油循環泵介質為熱態導熱油，一般采用專用高溫熱油泵或水冷式高溫屏蔽泵，連續運行，至少安裝兩臺，一用一備。

1.10 管道設計及系統布置原則

管道設計對于導熱油加熱系統的高效、安全運行有著重要的意義，可以遵循下列建議：

（1）管路設置中盡量避免U 形配管；在高點設排氣閥，低點設放凈閥。

（2）較長管線應考慮熱補償設計。為防止熱油泄露，盡量選用自然補償形式。

（3）除設備管口、儀表口或閥門等必須采用法蘭連接外，其他均采用焊接。法蘭宜選用對焊法蘭，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合墊，不得使用石棉橡膠墊。

（4）切斷閥和安全閥均應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）用熱設備的導熱油流向宜采取低進高出以利排氣。

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

（8）安全膨脹管應是連續上升的，管線傾斜時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）導熱油爐的緊急冷卻回液管線上在靠近導熱油爐處應設置雙閥。

系統布置要求導熱油加熱系統應盡量靠近用熱設備，以減少熱損失和操作費用，可以遵循下列建議：

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

（2）儲油槽放在地面上以便接收系統中所有的導熱油；導熱油爐與儲油槽之間用隔墻隔開。

（3）導熱油爐、熱油循環泵、注油泵等均應布置在底層。

（4）熱油循環泵宜靠近導熱油爐布置。

（5）油氣分離器靠近膨脹槽布置，可與膨脹槽設在同一平面。

（6）導熱油爐一般布置在裝置一側，若區域很大，可布置在裝置中間。

2 導熱油加熱系統開停車要點

2.1 注油冷態調試

（1）系統氮氣置換合格后，使用膨脹槽氮封。

（2）注油：儲油槽內按設計要求裝入已化驗合格的導熱油，開啟注油泵注油，直至膨脹槽低液位不報警，一般取膨脹槽高度的1/3，關閉注油泵，核對實際注油量與設計量是否一致，如差異較大，應進行全面排查，尤其注意法蘭處是否漏油，并做好記錄。

（3）冷循環：不得使用細過濾器，啟動熱油循環泵，打開膨脹槽放空閥，間斷性開啟管道放空閥，觀察膨脹槽液位是否下降，及時補充導熱油，以保持一定液位。清理粗過濾器2～3次后，取油樣進行分析并記錄。

2.2 升溫熱態調試

（1）點火升溫：啟動導熱油爐，系統開始升溫，初期升溫速度不宜過快，建議以10℃/h的升溫速度升溫至90℃。

（2）脫水排汽：脫水過程集中在90～130℃，控制升溫速度不超過5℃/h，當升溫穩定、熱油循環泵壓力和電流穩定、膨脹槽不冒汽、膨脹槽底部和泵入口沒有水擊聲時，認為脫水排汽完畢，再在該溫度區間繼續運行2～3 h，不宜過快，防止發生突沸，造成設備及人員損傷。

（3）繼續升溫：200℃以內，升溫速度仍需謹慎，建議以20～30℃/h 繼續升溫至200℃，應注意可能存在于系統死角處的水分。當溫度升至200℃時，對整個系統進行一次全面檢查，防止熱膨脹引起泄漏。

（4）排輕組分：升溫至200℃時要減緩升溫速度，以不超過5℃/h的升溫速度升溫至230℃，進行脫輕組分過程。觀察壓力、壓差，系統穩定后，方可準許繼續升溫至工藝操作溫度。

（5）升溫階段使用細過濾器，用于清除導熱油因高溫產生的殘碳和膠狀瀝青質。

2.3 升至工作溫度

以40℃/h的升溫速率升至工作溫度，運行正常后取油樣分析。

2.4 停爐

（1）正常停爐：導熱油系統的正常停車，要利用各用熱設備逐漸將熱量消耗。裝置降低負荷的同時，導熱油爐要進行降溫，以≤30℃/h的速度將導熱油爐出口溫度降至200℃恒溫，使各用戶產品切到不合格管線后，大流量循環熱油繼續降溫；降溫至150℃下，當燃燒系統控制無法保證降溫速度時，停導熱油加熱爐；將風機調至大風吹掃開度，熱油泵繼續循環，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導熱油打回儲油槽。

（2）異常停爐：出現突然停電及泵故障時，應保證爐內油品以最快的速度進行冷油置換，撤回儲油槽，盡量減少爐內的停滯過熱過程，保護油品。

3 結論

導熱油加熱技術是國家重點科技推廣的新型節能技術，在石化、合成纖維等行業應用非常廣泛。合理的設備設計選型、管道及系統布置、開停車操作對導熱油加熱系統安全高效運行具有重要意義。