导热油间接式加热天然气系统技术分析

王丽娟，王晓玲，韩延坤，冯森森，谢腾腾

（1.上海蓝滨石化设备有限公司，上海 201518；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃 兰州 730070）

为有效降低天然气黏度，防止介质在管线内积液，通常需要对天然气进行加热处理，而天然气属于易燃、易爆介质，若与加热元件直接接触，易使加热芯在压力及腐蚀作用下发生爆管，存在安全问题，故工程上常采用间接式加热方式。间接式加热包括间接式水蒸汽加热、间接式导热油加热等。其中，导热油加热技术适用工作温度范围较大，且适用于高温工况，其高温低压的特性十分适合于石油化工生产过程。文中从设计选型角度对一种导热油间接式加热天然气系统进行技术分析。

1 导热油间接式加热系统简介

1.1 系统工作原理

导热油间接式加热系统主要包括储油罐、电加热器、膨胀槽、分离器、循环泵等设备，其主要工艺流程见图 1［1］。

图1 导热油系统工艺流程示图

导热油用储油罐存储，系统工作时用循环泵送至电加热器中加热。先通过电加热导热油，再通过导热油加热工艺介质。使用后的导热油先后经过滤器、分离器等设备，分离出气体和杂质后，再返回电加热器中重复循环利用。

1.2 导热油与水蒸气加热方式比较

水蒸气加热方式以蒸汽或者热水为热源,是一种半开放式循环系统，其主要缺点是，①设备体积大、空间需求高、能耗高、投资较高，而且传热效果差、热效率低、需要较长的加热时间、蒸汽回水温度高、热媒的热量没有得到充分利用、容积利用率低等［2］。②热能损失大［3］，能达到的加热温度有限。③加热后，蒸汽直接排放，冷凝水不回收，浪费热能和水资源。④加热器泄漏会污染冷凝水，导致其中含有有毒有害的油类，增加外排废水处理难度和处理成本。

导热油加热方式以导热油为热源，是一种封闭式的强制循环系统，其主要优点是，①满足高温换热要求［4］。②设备对空间要求不高。③无热量损失、热效率高、节能效果好。④系统运行压力低，设备材料强度等级和密封要求大幅降低。⑤设备制造和使用成本远低于蒸汽加热设备［5］。⑥导热油本身具有防腐作用，不会像水浴加热给装置造成腐蚀，用户不需另外采取防腐措施。

相比水蒸气加热方式，导热油加热方式更适合在油气田场站应用，可以获得更为满意的工作温度匹配性、更长的使用期限、更理想的传热和加热效果。

2 导热油加热系统关键设备技术分析

导热油加热系统中电加热器是保证整个系统工艺达标的核心设备，而膨胀装置，包括膨胀槽、膨胀管线，是保证系统安全的重要设备。下面对这些设备逐一展开分析。

2.1 电加热器

2.1.1 外加热方式

外加热方式原理示意图见图2。加热元件插入充满导热油的加热器壳体内，天然气从进口进入电加热器的换热管，沿换热管导向曲折翻滚，与加热器壳体内被加热的导热油（管内常压）充分换热，流向出口［6］。天然气在换热管内流动，电加热元件在换热管外把导热油加热后，导热油再给换热管内的天然气传热。

图2 外加热方式原理示图

外加热式加热器的优点是没有承压壳体，这可以极大降低加热器的制造成本。外加热式加热器缺点是热效率较低，热损失大。因此，在选型计算时，通常会考虑更大功率余量。通常，相同热量传递条件下外加热方式需要的换热面积是内加热方式的1.5倍以上。

2.1.2 内加热方式

内加热方式原理示意图见图3。

图3 内加热方式原理示图

加热元件置于换热管内，换热管内充满导热油，换热管外为天然气，将整个换热管包围。该加热器优点是热效率高，加热元件产生的热量只有单一方向的传热，最终只能被换热管外的天然气吸收，因此热效率能达到95%以上，同时加热元件与换热管内壁间距很小，热量很容易从电热元件上传递到换热管外壁被天然气吸收，导热油与换热管温差较小，热响应快。其缺点是因天然气在换热管与加热器壳体间流动，加热器壳体为承压容器，这样就会导致设备成本大幅增加。

2.1.3 电加热器选型

内加热式与外加热式工作原理不同，成本也差异较大，选型时需要综合考虑。在两种加热方式均可满足工艺要求的前提下，可根据预算优选电加热器。当预算资金有限时，可采用外加热式降低成本。例如，乐东22-1/15-1平台多采用如图4所示外加热式导热油电加热器。

图4 外热式导热油电加热器结构示图

2.1.4 新型加热元件

介绍一种新型电加热元件。该电加热元件类型为缆线，以铜或镍铬合金为导体，氧化镁矿物材料为绝缘体，铜、不锈钢或合金材料为护套，称为矿物绝缘加热电缆（MI电缆）。MI电缆解决了传统管状电加热器长期存在的积碳、爆管、断芯、寿命短的弊端。与传统管状加热元件的加热炉相比，具有以下优点，①无氧化现象。因矿物绝缘加热电缆为拉拔制作，在制造过程中护套管挤压氧化镁，氧化镁挤压发热芯体，使之同时缩径，因此氧化镁的密度等同于金属，使加热电缆内部丝毫不含氧，发热芯体毫无氧化现象。而管状加热元件氧化镁颗粒大，密实度比较松散，导致电热管内部含有空气，增加了芯体的氧化机会。②MI电缆绝缘层很薄，导热性好，芯体与护套温差小，不易产生爆管、断丝等故障。③MI电缆相同功率根数少，故障率低，冷端可直接焊接与管板，密封有保证。

2.2 膨胀装置

2.2.1 膨胀槽计算

导热油加热系统中，膨胀装置通常为膨胀罐或膨胀槽。膨胀罐的操作基于热胀冷缩原理，平衡系统内导热油温度变化带来的体积变化。加热过程中，随着温度不断上升，系统中导热油体积持续增加，液位不断上升从而进入膨胀罐；完成加热后，导热油温度逐渐降低，膨胀罐内的导热油又返回管路内循环使用［7］。膨胀槽设有排气管，排气管接至安全地点，避免膨胀槽内导热油沸腾喷出造成火灾等事故［8-9］。通常设计膨胀槽体积时，主要考虑导热油的调节体积。此外，膨胀槽的体积确定还需考虑安全余量、装载程度。

导热油调节体积不低于膨胀后总体积的1.3倍［10］。导热油一般每升高100℃,体积近似膨胀10%。膨胀槽安全系数一般取1.1,装填系数取70%。膨胀槽设计体积V0按照下面的公式计算。

式中，V1为导热油加热前体积，m3；t1为导热油加热前温度,t2为导热油加热后温度,℃。

2.2.2 膨胀管线设置

为提高导热油从分离器出来后进入膨胀槽的散热效果，膨胀槽和分离器应保持较远距离,即膨胀管线具有一定长度。为防止导热油流经弯管处出现气阻现象，膨胀管线弯曲角度一般大于120°,如此设置兼具减小管线热应力效果。膨胀管线上不得安装变径管或阀门。管线公称直径可参考加热器功率选择，见表 1［11-12］。

表1 加热器功率对应膨胀管线公称直径

3 导热油加热系统电控技术

导热油加热系统的控制关键在电加热器和膨胀槽的变量控制，包括电加热器内导热油温度控制、流速控制，膨胀槽内压力控制、液位控制。

加热器温度控制系统采用可控硅调功技术。相比固态继电器调温，可控硅调功器可实现温度的连续调节，控制精度高、波动范围小、功耗低，因此更节能、响应快［13-14］。一般在电加热器的出口管线上安装测温元件采集介质温度信号，采集的信号由温度变送器送至模拟量输入端，过程控制系统进行PID整定计算后，输出4～20 mA信号给可控硅调功器控制模块。可控硅根据电流信号值确定电加热器需要输出的功率，满足功率值0～100%间连续调节，使介质保持恒定温度［15-17］。导热油内部设有高温检测，当检测到超过设定值时，控制系统自动关断电加热器，同时触发报警。

电加热器内导热油流速过低时，会发生局部过热，导致导热油结焦或变质等。一般在导热油进、出管口安装测压元件，通过测量压力间接监控电加热器内导热油的流速。在电加热器系统调试时，就将确保安全运行的压力值在仪表上整定，运行中一旦监测到压力值高于设定值，就由警报系统发出故障报警，提示系统需马上排除故障或停止运行［18］。

膨胀槽内设置压力自动调节，即由膨胀槽气相压力大小来控制惰性气体进气管的调节阀。

膨胀槽设有导热油液位报警与控制系统，一般膨胀槽内液位控制在总标高的1/4～3/4，当液位超出控制范围时会发出报警，从而实现对设备的有效保护。

4 结语

导热油间接式加热系统在低压操作条件下即可达到较高的工艺温度，满足油气田站场加热原油和天然气要求，因为是闭式循环系统，既杜绝了环境污染，又避免了能源浪费。国内胜利油田、东方气田、长庆油田等，国外伊拉克艾哈代布油田、哈法亚油田、伊朗北阿扎德甘油田等均采用导热油加热系统实现工艺生产要求［19］。实际工程案例表明，导热油间接式加热系统具有广泛的应用前景和良好的生产效果。