导热油加热系统的工程设计及开停车要点

（北京石油化工工程有限公司，北京 100107）

随着石化行业的发展，将工艺物料加热到400℃以上的情况越来越多，由于导热油较高温度下饱和蒸汽压远小于水的饱和蒸汽压表现出的独特优越性而得到广泛应用。除石化行业外，导热油还广泛用于合成纤维、印染、造纸、木材加工、建材等工业领域[1-3]。结合作者设计经验，总结了导热油系统在工程设计和开停车调试阶段的注意要点，希望通过此经验能让设计和生产人员有一个较系统的参考和借鉴。

1 导热油加热系统的工程设计

典型的导热油加热系统工艺流程如图1所示。导热油加热系统是利用热油循环泵将所要加热的导热油运送到加热装置中进行加热，当加热到所需要的温度后送至用热设备供热，再经油过滤器和油气分离器排出不凝气和胶、碳等杂质后返回热油循环泵入口，一直循环下去[4-7]。

1.1 导热油品种的选择

导热油品种的选择，首先要考察导热油的物化性能指标，然后重点考虑导热油的最高使用温度，再结合价格和使用寿命进行技术经济比较后确定。

导热油可分矿物油与合成油。矿物油价格低廉，相对密度小，常温下饱和蒸汽压低，无需氮封，允许使用温度一般不得高于320℃。合成油稳定性好，允许使用温度可达400℃，但价格昂贵，约为矿物油的3倍，常温下饱和蒸汽压高，系统需用氮封，凝固点较高，约为12℃，整个系统需要伴热。

导热油的最高允许使用温度应比工艺要求的导热油最高工作温度高25～30℃，严禁导热油超温使用。当使用电加热导热油炉时，要核算电加热管表面可能达到的最高温度，不得超过导热油的允许膜温，以防电热管表面结焦炭化，烧毁电热管[8]。导热油的允许膜温与最高允许使用温度差一般取20～30℃。

1.2 导热油系统的装填量

导热油系统的装填量应根据加热系统的具体情况来确定。根据经验，导热油系统的装填量可按照导热油炉本体内的油容量、所有用热设备内的油容量、膨胀槽内的油容量、加热系统管线内的油容量之和的1.2倍计算。

1.3 导热油炉的选型

导热油炉为特殊设备（一般由专业工厂制造），按照燃料类型可分为燃煤、燃气、燃油、电加热系列，炉型应根据燃料来源、电站容量、环保要求和经济效益等因素综合比较确定。导热油炉的主要选择参数是额定热功率和设计使用温度。额定热功率根据计算热功率在厂家定型系列产品中选用，计算热功率按下式计算：

式中M——计算热功率，kW；

Q——所有用热设备的热负荷，kW；

K1—— 加热设备的热效率；

K2——导热油炉的热效率。

导热油炉的供热温度即工艺要求的导热油最高工作温度，一般应比用热设备中需加热介质的最高温度高30～50℃。

图1 导热油加热系统工艺流程Fig.1 Process flow diagram of heat transfer oil heating system

导热油炉炉管分为盘管式及锅壳式，目前基本都选用盘管式。炉管设计温度为管壁最高金属温度加至少15℃，炉管设计压力为最高工作压力加0.3 MPa，且不低于0.6 MPa。若导热油炉采用电加热器，电加热管外表面温度要比导热油主流体温度高得多，一般要高100～200℃，为避免该区域发生超温、分解、变质、结焦等现象，电加热管外表面的最大功率密度一般不得超过0.02 mW/m2，若低温下可安全启动，其功率密度可适当提高。

1.4 储油槽设计

储油槽一般选用卧式罐，储油槽容积应不小于导热油系统装填量的1.2倍。正常生产时储油槽微正压操作，储存冷态导热油。设备设计时其设计压力不应小于0.6 MPa，设计温度需考虑事故工况下储油槽接收导热油炉来的热态导热油。

1.5 膨胀槽设计

膨胀槽一般选用卧式罐，膨胀槽的调节容积不小于系统导热油膨胀量的1.3倍。一般系统初始注油以膨胀槽液位达到直径的1/3 高度为基准认为注满导热油系统，最高工作温度时膨胀槽液位达到直径的2/3 高度，卧式罐中该区域体积约占总体积的60%，由此可得膨胀槽容积计算公式如下：

式中V——膨胀槽体积，m3；

G——导热油系统装填量，m3；

ρ1——未加热时导热油密度，kg/m3；

ρ2——最高加热温度时导热油密度，kg/m3。

若计算出的膨胀槽容积太大，可将膨胀的导热油部分溢流至储油槽，减小膨胀槽的容积。正常生产时膨胀槽微正压操作，膨胀槽温度不应大于70℃。设备设计时其设计压力不应小于0.6 MPa，设计温度可取100℃。

1.6 油气分离器设计

油气分离器一般选用立式离心分离器，入口设在分离器中间，自圆周的切线方向进入，在筒体内作高速旋转，由于离心分离的作用，导热油内混有的气体水蒸气从顶部排出，排气后的导热油从底部排出，在供热系统内继续循环。一般分离器的直径为入口管径的两倍，高度为入口管径的四倍。

1.7 油过滤器的选型

导热油加热系统中一般安装两种过滤器，粗过滤器和细过滤器[9]。

粗过滤器用于滤除循环管路中的机械杂质，粗过滤器过滤阻力较小，串联设置在主循环管道中为宜，并应紧挨热油循环泵吸入口前端和导热油炉回油进口处。在注油泵吸入口前也应设置粗过滤器，以滤除注入系统的新导热油中可能带入的机械杂质。粗过滤器分为Y 形、T 形、篮式过滤器。一般管径≤100 mm时用Y 形过滤器，管径≥150 mm时用T 形过滤器，管径≥400 mm 用篮式过滤器。过滤网规格一般为30～60 目。粗过滤器至少设两套，一开一备。

细过滤器用于滤除导热油因长期高温工作产生的残碳和胶状沥青质，细过滤器过滤阻力较大，并联安装在主循环管道中为宜。细过滤器一般采用不锈钢粉末烧结过滤器，过滤精度20 μm。一个系统中只需设一套细过滤器即可。

1.8 注油泵的选型

注油泵介质为冷态导热油，黏度大，一般选用自吸式齿轮泵，间断运行，单台设备不用泵。注油泵的流量可根据导热油的用量和合适的填充时间确定。注油泵的扬程应大于膨胀槽最高液位至储油罐液位的垂直高度与进出口管线阻力降之和。

1.9 热油循环泵的选型

若导热油炉采用厂家定型系列产品，热油循环泵的流量可由厂家规定，但应满足GB/T 17410—2008《有机热载体炉》的要求，辐射受热管内导热油的流速不低于2 m/s，对流受热管内导热油的流速不低于1.5 m/s，以避免受热管内导热油过热或积碳。如导热油炉厂家没有规定流量，可根据导热油炉额定热功率计算：

式中V——循环量，m3/h；

W——额定热功率，kW；

Cp——操作状态下导热油比热，kJ/（kg·K）；

ρ——操作状态下导热油密度，kg/m3；

ΔT—— 导热油炉进出口温差，一般取15～25℃；1.1为安全系数。

若导热油炉未采用厂家定型系列产品，热油循环泵的流量可根据用热设备的热负荷计算。计算公式同上，区别在于W代表所有用热设备的热负荷，ΔT为用热设备的导热油进出口温差。计算所得流量乘以漏损系数即为热油循环泵流量，漏损系数一般取1.05。

热油循环泵的扬程可根据整个供热循环系统的压力损失来计算：

式中H——热油循环泵扬程，m；

ΔP1——导热油炉允许压降，Pa；

ΔP2——用热设备允许压降，Pa；

ΔP3——循环系统管线压降，Pa；

ΔP4—— 油过滤器允许压降，Pa；1.1为安全系数。

若导热油炉采用厂家定型系列产品，应注意热油泵计算压头不得超过导热油炉允许使用压力。管线压降计算时，一般取导热油流速在2～3 m/s，过低会影响载热效率。

为了防止热油循环泵发生汽蚀，必须保证泵的有效净正吸入压头（NPSHa）大于必要净正吸入压头（NPSHr），安全裕量一般取0.6～1 m，NPSHr为泵的形状和转速决定的泵性能的固有指标，由厂家提供。NPSHa由下式计算：

式中P——膨胀罐的压力，m；

H—— 膨胀罐下切线至循环泵入口中心线的高度，m；

Hf——循环泵入口管线阻力降，m；

Hv—— 最高操作温度下导热油的饱和蒸汽压，m。

热油循环泵介质为热态导热油，一般采用专用高温热油泵或水冷式高温屏蔽泵，连续运行，至少安装两台，一用一备。

1.10 管道设计及系统布置原则

管道设计对于导热油加热系统的高效、安全运行有着重要的意义，可以遵循下列建议：

（1）管路设置中尽量避免U 形配管；在高点设排气阀，低点设放净阀。

（2）较长管线应考虑热补偿设计。为防止热油泄露，尽量选用自然补偿形式。

（3）除设备管口、仪表口或阀门等必须采用法兰连接外，其他均采用焊接。法兰宜选用对焊法兰，不得选用平焊法兰。密封面采用凹凸面或榫槽面。垫片采用金属石墨缠绕垫或柔性石墨复合垫，不得使用石棉橡胶垫。

（4）切断阀和安全阀均应选用波纹管密封型式。

（5）管材不得选用铸铁或有色金属材料。

（6）用热设备的导热油流向宜采取低进高出以利排气。

（7）膨胀槽安全膨胀管、放空管及储油罐放空管的公称直径按照导热油炉供热量在GB/T 17410—2008《有机热载体炉》中选取。

（8）安全膨胀管应是连续上升的，管线倾斜时其弯曲角度不得小于120 °。

（9）膨胀槽和安全膨胀管均不得保温，以防膨胀槽中油温太高。

（10）导热油炉的紧急冷却回液管线上在靠近导热油炉处应设置双阀。

系统布置要求导热油加热系统应尽量靠近用热设备，以减少热损失和操作费用，可以遵循下列建议：

（1）膨胀槽不得在导热油炉的正上方安装，以避免膨胀泄露的导热油引起火灾。膨胀槽底面必须高出所有用热设备及输送管道的最高点1.5 m 以上。

（2）储油槽放在地面上以便接收系统中所有的导热油；导热油炉与储油槽之间用隔墙隔开。

（3）导热油炉、热油循环泵、注油泵等均应布置在底层。

（4）热油循环泵宜靠近导热油炉布置。

（5）油气分离器靠近膨胀槽布置，可与膨胀槽设在同一平面。

（6）导热油炉一般布置在装置一侧，若区域很大，可布置在装置中间。

2 导热油加热系统开停车要点

2.1 注油冷态调试

（1）系统氮气置换合格后，使用膨胀槽氮封。

（2）注油：储油槽内按设计要求装入已化验合格的导热油，开启注油泵注油，直至膨胀槽低液位不报警，一般取膨胀槽高度的1/3，关闭注油泵，核对实际注油量与设计量是否一致，如差异较大，应进行全面排查，尤其注意法兰处是否漏油，并做好记录。

（3）冷循环：不得使用细过滤器，启动热油循环泵，打开膨胀槽放空阀，间断性开启管道放空阀，观察膨胀槽液位是否下降，及时补充导热油，以保持一定液位。清理粗过滤器2～3次后，取油样进行分析并记录。

2.2 升温热态调试

（1）点火升温：启动导热油炉，系统开始升温，初期升温速度不宜过快，建议以10℃/h的升温速度升温至90℃。

（2）脱水排汽：脱水过程集中在90～130℃，控制升温速度不超过5℃/h，当升温稳定、热油循环泵压力和电流稳定、膨胀槽不冒汽、膨胀槽底部和泵入口没有水击声时，认为脱水排汽完毕，再在该温度区间继续运行2～3 h，不宜过快，防止发生突沸，造成设备及人员损伤。

（3）继续升温：200℃以内，升温速度仍需谨慎，建议以20～30℃/h 继续升温至200℃，应注意可能存在于系统死角处的水分。当温度升至200℃时，对整个系统进行一次全面检查，防止热膨胀引起泄漏。

（4）排轻组分：升温至200℃时要减缓升温速度，以不超过5℃/h的升温速度升温至230℃，进行脱轻组分过程。观察压力、压差，系统稳定后，方可准许继续升温至工艺操作温度。

（5）升温阶段使用细过滤器，用于清除导热油因高温产生的残碳和胶状沥青质。

2.3 升至工作温度

以40℃/h的升温速率升至工作温度，运行正常后取油样分析。

2.4 停炉

（1）正常停炉：导热油系统的正常停车，要利用各用热设备逐渐将热量消耗。装置降低负荷的同时，导热油炉要进行降温，以≤30℃/h的速度将导热油炉出口温度降至200℃恒温，使各用户产品切到不合格管线后，大流量循环热油继续降温；降温至150℃下，当燃烧系统控制无法保证降温速度时，停导热油加热炉；将风机调至大风吹扫开度，热油泵继续循环，直至热油温度降到100℃下才能停泵，待自然冷却到常温后将系统导热油打回储油槽。

（2）异常停炉：出现突然停电及泵故障时，应保证炉内油品以最快的速度进行冷油置换，撤回储油槽，尽量减少炉内的停滞过热过程，保护油品。

3 结论

导热油加热技术是国家重点科技推广的新型节能技术，在石化、合成纤维等行业应用非常广泛。合理的设备设计选型、管道及系统布置、开停车操作对导热油加热系统安全高效运行具有重要意义。