國內外導熱油系統設計差異的探討

張琪林 張藜藜

中海油石化工程有限公司 山東 青島 266101

導熱油系統是利用導熱油爐將有機熱載體加熱，通過導熱油循環泵進行強制循環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的加熱系統。導熱油系統克服了電加熱、蒸汽加熱、明火加熱等熱效率低、循環利用率不高、影響環境、不易控制等諸多不利因素，具有高效、安全穩定、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。本文介紹了導熱油系統的組成，著重介紹國內外項目導熱油系統設計的異同點，總結導熱油系統的設計經驗，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。

1 導熱油系統組成

導熱油系統一般包括導熱油爐、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的核心設備，導熱油在爐內被加熱到設定溫度，然后通過循環泵送往各熱用戶。導熱油爐由專業制造廠家生產，分燃煤、燃氣、燃油系列，設計人員應根據當地燃料來源、環保要求和經濟效益三者比選，進行爐型的選擇。石油化工行業油氣資源豐富，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，主要用來吸收系統內導熱油在工作溫度下因膨脹所增加的體積容量，其調節容積不應小于系統內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的最高點，且罐底部與導熱油系統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。

1.3 儲油罐單元

儲油罐也應為臥式容器，容積應能接收系統中最大隔離空間的導熱油和系統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的最低位置，以保證停車時，系統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供應。在膨脹罐頂部應設置壓力控制閥，當罐內壓力低于設定值時，進入氮氣；當罐內壓力高于設定值時，排出氮氣。

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

1.5 導熱油循環單元

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

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系統，并在循環系統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 導熱油系統的安全控制儀表

導熱油系統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；

爐膛火焰監測報警——保證燃燒安全及穩定。

2 國內外導熱油系統設計的異同點

通過比對參與的國內外油田地面設施導熱油供熱系統項目的設計文件，發現國外項目導熱油系統與國內項目相比，還是有諸多不同。首先，國外導熱油系統在自動控制、聯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，還是整個導熱油系統的控制，國外項目相對來說設置較復雜，國內項目導熱油系統則相對較簡單。其次，在導熱油系統的安全防護方面，國內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 國內外項目導熱油系統的自動控制

導熱油爐控制系統集現場儀表，PLC 控制系統，電機控制與一體?？刂苾x表采用鉑熱電阻、數顯溫度控制比例調節儀、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、經濟生產要求。

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

2.1.1 膨脹罐的液位監控

膨脹罐的液位是導熱油系統安全運行的一個重要參數，當膨脹罐液位下降到低于極限位置時，需自動停爐。國內項目導熱油系統對膨脹罐液位的監控一般設置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，液位繼續下降達到液位低低值時停爐。而國外導熱油系統除就地液位計外，遠傳液位計設置3個，三取二設置膨脹罐液位低報警，液位低低聯鎖停爐，以保證液位控制的可靠性。

2.1.2 導熱油系統流量的控制

導熱油在導熱油爐爐管內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，形成殘炭沉積于管壁，影響傳熱效果。如此惡性循環，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。在導熱油系統的進出口總管間加設總旁路管道及調節閥門，來控制流量穩定，以避免因流量減少而使導熱油在爐管內流動過緩而結焦。

單臺導熱油爐旁路循環。在每臺導熱油爐出口管線和導熱油循環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的正常工作流量。

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

圖1 國外項目導熱油系統流量控制

2.2 導熱油系統的安全保護

導熱油系統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，實現全自動控制。國內外項目導熱油系統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美國石油學會API 520和API 521規范進行編制，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，導熱油系統所有安裝有安全閥的地方均設置為一用一備。而國內項目無相關要求，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？當導熱油系統發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，膨脹罐就會出現負壓工況。燃煤的導熱油爐，當出現突然停電時，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，國內規范明確規定，膨脹罐和膨脹管不應采取保溫措施。正常情況下，膨脹罐內的導熱油不參與系統循環。初始工況加溫運行時，膨脹出系統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，導熱油仍然以液態形式存在，不會出現在泄放氣體中。因此，放空排液罐的設計沒有必要。

3 導熱油系統發展趨勢

目前正在運行的導熱油系統，導熱油爐多為盤管整裝型，此種形式的導熱油爐優點是易于排凈爐管內的介質，占地面積不大，為爐體水壓試驗及系統維修，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，經常需要多臺導熱油爐并聯為熱用戶提供熱量。因此，工廠模塊化、現場組裝的方式也常被利用。對于導熱油系統的膨脹罐和儲油罐，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，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，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，可節省占地面積，節約框架成本。

隨著國內生產裝置的大型化，導熱油系統也在朝大型化發展進軍。如何使導熱油系統占地面積少、熱效率高、安裝工期縮短，是導熱油系統未來發展的方向。

4 結束語

導熱油系統是安全、環保、節能的熱能供給系統，相較于蒸汽系統，有顯著的社會和經濟效益，是值得推廣的節能技術。設計人員在設計過程中，要充分了解導熱油系統的組成，不管國內國外項目，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。