国内外导热油系统设计差异的探讨

张琪林 张藜藜

中海油石化工程有限公司 山东 青岛 266101

导热油系统是利用导热油炉将有机热载体加热，通过导热油循环泵进行强制循环将加热后的导热油输送到各热用户，换热后的导热油再由热用户出油口汇集返回导热油炉加热，从而形成一个完整闭式循环的加热系统。导热油系统克服了电加热、蒸汽加热、明火加热等热效率低、循环利用率不高、影响环境、不易控制等诸多不利因素，具有高效、安全稳定、运行可靠的特点。目前，导热油供热技术成熟，被广泛应用于各行各业。本文介绍了导热油系统的组成，着重介绍国内外项目导热油系统设计的异同点，总结导热油系统的设计经验，旨在使设计人员在今后设计过程中取长补短，设计出更高效和更加安全可靠的导热油系统。

1 导热油系统组成

导热油系统一般包括导热油炉、膨胀罐单元、储油罐单元、氮气覆盖及灭火单元、导热油循环单元、导热油装卸单元、导热油换热单元、控制、仪表和安全保护单元以及相关管道等。

1.1 导热油炉

导热油炉是整个导热油系统的核心设备，导热油在炉内被加热到设定温度，然后通过循环泵送往各热用户。导热油炉由专业制造厂家生产，分燃煤、燃气、燃油系列，设计人员应根据当地燃料来源、环保要求和经济效益三者比选，进行炉型的选择。石油化工行业油气资源丰富，一般选用燃油或燃气的导热油炉。

1.2 膨胀罐单元

膨胀罐应为卧式容器，主要用来吸收系统内导热油在工作温度下因膨胀所增加的体积容量，其调节容积不应小于系统内导热油在工作温度下膨胀量的1.3倍。膨胀罐不能安装在导热油炉的正上方，应设置在整个导热油系统的最高点，且罐底部与导热油系统最高点的垂直净距不应小于1.5m，由独立钢架支托。为提高导热油的使用寿命，膨胀罐上通常设置氮封系统。

1.3 储油罐单元

储油罐也应为卧式容器，容积应能接收系统中最大隔离空间的导热油和系统所需要的适当补充储备量。储油罐宜安装在整个导热油系统的最低位置，以保证停车时，系统中的导热油能全部返回储油罐中。储油罐顶部应安装放空管。

1.4 氮气覆盖及灭火单元

氮气覆盖系统通常由氮气罐、阀组、仪表及管路组成。氮气罐应与高位膨胀罐连通以保证氮气的持续供应。在膨胀罐顶部应设置压力控制阀，当罐内压力低于设定值时，进入氮气；当罐内压力高于设定值时，排出氮气。

导热油系统应配备灭火系统，灭火气体宜用蒸汽或氮气。灭火用气量应保证15min内至少可充满3倍炉膛体积。氮气灭火系统由氮气罐、阀组、仪表及管路组成。

1.5 导热油循环单元

导热油循环泵是保证导热油在系统中循环的重要设备，导热油炉系统应采用强制循环注入式。循环泵应与导热油的特性相适应，并能在规定的温度下长期稳定地运行，输送能力应按导热油炉额定流量的1.1倍选取。循环泵的吸入口，应减少吸入管路的阻力损失，以防发生汽蚀。

1.6 导热油装卸单元

装卸单元由注油泵、管道、管件、阀门、法兰、垫片、过滤器及仪表等组成，装卸单元应能将导热油注入循环系统，并在循环系统检修时将导热油抽回储油罐中。注油泵应选有自吸能力的齿轮泵。

1.7 导热油系统的安全控制仪表

导热油系统的安全控制仪表主要有以下几种；

导热油出炉温度——保证用户的用热温度，避免超温；

导热油出炉压力——保证用户用热压力，避免超压；

导热油流量检测——保证加热炉内导热油的流量，保护加热炉炉管安全；

膨胀罐液位检测——保证系统中全部充满热油，保护热油回路中的转动设备及热交换设备；

导热油炉系统安全阀的设置——以防止超压；

燃烧器的允许启动信号——保证导热油炉的安全；

炉膛火焰监测报警——保证燃烧安全及稳定。

2 国内外导热油系统设计的异同点

通过比对参与的国内外油田地面设施导热油供热系统项目的设计文件，发现国外项目导热油系统与国内项目相比，还是有诸多不同。首先，国外导热油系统在自动控制、联锁反馈等方面设置较为复杂，无论是导热油炉本体的控制系统，还是整个导热油系统的控制，国外项目相对来说设置较复杂，国内项目导热油系统则相对较简单。其次，在导热油系统的安全防护方面，国内外项目的设计准则也有一定差异。比如，安全阀的设置，国外项目多按照项目要求，设置一用一备2组安全阀。国内项目则视情况而定，可设置1组，也可设置两组。另外，膨胀罐上安全阀放空排液罐的设置、膨胀罐的防烫等方面也各有特点。

2.1 国内外项目导热油系统的自动控制

导热油炉控制系统集现场仪表，PLC 控制系统，电机控制与一体。控制仪表采用铂热电阻、数显温度控制比例调节仪、平衡流量计、磁翻板液位计、燃烧程序控制器、检漏仪等组成。控制系统能对整个导热油的温度、压力、流量、液位进行检测与控制，并使热负荷进行全面自动控制，满足安全、经济生产要求。

相较于国内导热油系统设计，国外项目导热油系统控制方案更加复杂。导热油炉及其控制系统多应用于工业生产，不允许突然停炉。因此，导热油系统的设计，必须遵循高可靠性和高安全性的工业设计原则。在此原则下，列举两则案例以说明国外项目导热油系统自动控制方案设计的特点。

2.1.1 膨胀罐的液位监控

膨胀罐的液位是导热油系统安全运行的一个重要参数，当膨胀罐液位下降到低于极限位置时，需自动停炉。国内项目导热油系统对膨胀罐液位的监控一般设置1个就地液位计，1个远传液位计即可，液位达到设定低值时报警，液位继续下降达到液位低低值时停炉。而国外导热油系统除就地液位计外，远传液位计设置3个，三取二设置膨胀罐液位低报警，液位低低联锁停炉，以保证液位控制的可靠性。

2.1.2 导热油系统流量的控制

导热油在导热油炉炉管内流动时会形成一个边界层，边界层的厚度直接影响边界层的介质温度。边界层越厚，边界层温度比导热油温度高，将使的边界层超温，从而导致导热油分解、聚合成胶质，形成残炭沉积于管壁，影响传热效果。如此恶性循环，如果导热油一直超过最高使用温度，就会导致变质，在炉壁上形成结焦，结焦将导致导热油炉的损坏，甚至报废。因此，要保证导热油炉通过的导热油量是恒定的。当热负荷发生变化时，需要通过控制方案维持导热油炉恒定流量。维持导热油流量恒定的方法一般有：

导热油炉总旁路循环。在导热油系统的进出口总管间加设总旁路管道及调节阀门，来控制流量稳定，以避免因流量减少而使导热油在炉管内流动过缓而结焦。

单台导热油炉旁路循环。在每台导热油炉出口管线和导热油循环泵入口管线间设置旁通管线和旁通阀门，以保证每台导热油炉内的正常工作流量。

国内项目设计时，一般2种方法二选其一，即采用导热油炉总旁路循环或单台导热油炉旁路循环来保证流量稳定。而参与的国外项目设计时，其不仅设置了总旁路循环保证流量稳定，而且设置了单台导热油炉的旁路循环。如图1所示国外项目导热油系统流量控制，图中①处为单台导热油炉旁路循环，②处为导热油炉总旁路循环。

图1 国外项目导热油系统流量控制

2.2 导热油系统的安全保护

导热油系统应具有报警和停炉的安全保护功能，采用PLC控制并自成系统，实现全自动控制。国内外项目导热油系统的安全保护的异同主要有以下几点：

2.2.1 安全阀的设置

国外项目一般有Philosophy文件，就是整个项目需遵循的设计原则。其中超压保护原则是根据美国石油学会API 520和API 521规范进行编制，为设备和管道明确最低的超压保护方式。按照超压保护原则的要求，导热油系统所有安装有安全阀的地方均设置为一用一备。而国内项目无相关要求，如果适用场合停炉方便，安全阀校验可行的话，可安装1个工作安全阀。如果不允许随时停炉，则可安装一用一备2个安全阀，方便安全阀的校验。

2.2.2 膨胀罐的负压工况与保温设计

膨胀罐的设计是否考虑负压工况？当导热油系统发生泄漏或膨胀罐向储油罐放油时，如果顶部放空阀不打开的话，液位下降过快，来不及补进氮气或空气时，膨胀罐就会出现负压工况。燃煤的导热油炉，当出现突然停电时，还要进行冷油置换，就是利用膨胀罐的低温导热油流经导热油炉，保护炉管，冷油置换速度快的话，也可能会行程真空，造成膨胀罐的负压工况。因此，膨胀罐设计时还是需要考虑负压工况。

膨胀罐和膨胀管是否可保温？对于这个问题，国内规范明确规定，膨胀罐和膨胀管不应采取保温措施。正常情况下，膨胀罐内的导热油不参与系统循环。初始工况加温运行时，膨胀出系统的导热油在此得到冷却降温，若保温温度降不下来，高温下与空气接触会发生剧烈的氧化反应生成胶质物，影响导热油品质。国外项目导热油系统也没有违背不做保温的原则，而仅仅在操作人员容易接触到的地方设置防烫屏以防烫。综上，膨胀罐和膨胀管不需保温，但最好有防烫措施。

2.3 导热油放空排液罐的设置

导热油膨胀罐上安全阀的放空，因为是考虑氮气超压工况，泄放气体是氮气，一般直接排空。本次案例国外项目设计，按照项目要求，增设了1个放空排液罐。放空排液罐作用主要是气液分离，安全阀放空气体先排入放空排液罐，放空排液罐内气体放空，如果有冷凝液体，会收集回流至储油罐。正常泄放温度70℃左右，最高不会超过130～140℃，在这个温度下，导热油仍然以液态形式存在，不会出现在泄放气体中。因此，放空排液罐的设计没有必要。

3 导热油系统发展趋势

目前正在运行的导热油系统，导热油炉多为盘管整装型，此种形式的导热油炉优点是易于排净炉管内的介质，占地面积不大，为炉体水压试验及系统维修，更换导热油方便。装置大型化后，单台导热油炉热负荷难以满足要求，经常需要多台导热油炉并联为热用户提供热量。因此，工厂模块化、现场组装的方式也常被利用。对于导热油系统的膨胀罐和储油罐，也存在装置大型化后，设备形式的确定问题。运行系统中，膨胀罐和储油罐多为卧式储罐，对于大功率导热油加热系统，导热油的装填量很大，如果要求全部导热油返回储油罐中，储油罐的容积很大，如果仍采用卧式结构，则占地面积较大。对于大型导热油系统，可以采用新型结构，将膨胀罐置于储油罐顶部，采用塔器结构，可节省占地面积，节约框架成本。

随着国内生产装置的大型化，导热油系统也在朝大型化发展进军。如何使导热油系统占地面积少、热效率高、安装工期缩短，是导热油系统未来发展的方向。

4 结束语

导热油系统是安全、环保、节能的热能供给系统，相较于蒸汽系统，有显著的社会和经济效益，是值得推广的节能技术。设计人员在设计过程中，要充分了解导热油系统的组成，不管国内国外项目，都准确选择设备类型，合理布置设备及管道的布置，合理优化控制方案和安全措施，才能设计出更高效、安全可靠的导热油系统。