浅谈热传导油系统膨胀槽高温原因分析和改良方法
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摘 要：为防止热传导油系统中传热介质劣化，降低风险，实现生产过程的优化控制，确保安全生产。
一、热传导油系统简介
热传导油系统是有机热载体导热系统的俗称，因其加热均匀、温控准确、运行压力低、传热效率高和环保等优点，越来越多地被用在染料化工、树脂化工和医药化工等需要加热过程的行业。热传导油系统的组成如下图所示，主要包括锅炉（加热器）、循环泵、用热单元、膨胀槽（高位槽）、储油槽（低位槽）、注油泵和过滤器等部件。
作为热传导系统传热介质的热传导油长期工作在高温条件下，它在系统中主要发生两个方面的劣化：
（一）在锅炉内的加热管内壁，由于局部高温导致油品发生热裂解，进而形成结焦和积碳；主要措施：①系统设计合理，保证热传导油有足够的流速，能够在热管内形成紊流；②选择粘度适当、热稳定性好的热传导油；③严格执行操作规程，保证“启动时：先启动循环泵，再点火加热；停机时：待油温降低到80℃以下，再停止循环泵（也就是防止所谓的“闷烧”）”。
（二）氧化变质生成油泥，并导致酸值升高。措施相对比较简单，因为虽热传导油的工作温度很高，但是整个系统近似密封循环系统，只有膨胀槽上排气管与氧气接触，因而防止热传导油发生氧化变质的主要措施有：①防止热传导油与氧气接触，可以采用膨胀槽通入氮气密封；②控制膨胀槽内油温，降低油品氧化变质的速度。根据《有机热载体锅炉安全技术监察规程》的要求，膨胀槽内油温应该控制在70℃以下。
然而从行业了解到的现实情况是膨胀槽油温普遍高于这一要求，大多数在80℃以上，有的甚至超过100℃。我们都知道，油品氧化速度随温度升高而显著加快，大概温度每升高10℃，氧化速度会加快一倍。因此，我们必须重视膨胀槽油温变化，采取切实可行的方法来避免膨胀槽油温过高，以降低油品的氧化速度，延长油品的使用寿命。
根据大量的行业经验，膨胀槽高温可以分为两种情况：
第一种情况是膨胀槽温度接近回油温度，比如回油温度220℃，膨胀槽温度达到200℃以上。发生这种状况最大的可能性是膨胀槽内热传导油参与了系统循环中，因而膨胀槽内油温与循环系统内的油温接近，最终导致整个系统内的热传导油严重氧化，粘度急剧增大，状如沥青，在常温下几乎流不动。为什么膨胀槽内的热传导油会参与到主系统循环呢？传统的热传导油系统有一个典型设计，就是膨胀槽通过膨胀管与回油管上的油气分离器相连，而装在膨胀槽顶部的辅助排气管则与系统的出油管相连，这种设计的好处是排气快速，煮油周期短。但是这种设计有一个潜在风险，就是煮油排气阶段结束后往往因为人为疏忽忘记关闭排气管上的阀门，导致膨胀槽内热传导油通过膨胀管和排气管与主系统相连，形成了一个小的循环系统，参与到主系统热传导油循环中。这个问题最简单的解决方法就是把辅助排气管接到回油管上，这样一来，膨胀管与排气管两端的压力一样，就可以避免形成小循环系统，更加不会参与到主循环系统中。这种改良措施在实验中达到了立竿见影的效果。后来在许多新系统在设计安装时已经注意到了这个问题，纷纷把辅助排气管安装到了回油管这边。
第二种情况较为普遍，就是膨胀槽内油温高于规程要求的70℃，达到80℃以上，甚至超过100℃。怎样才能有效降低膨胀槽温度呢？膨胀槽高温的唯一原因就是过多热量通过膨胀管及其内部的热传导油传递给了膨胀槽内部的热传导油。如果能够阻止或降低这种热量传递，应该就可以降低膨胀槽温度。理论分析，热传递是通过热辐射、热传导和热对流三种方式来实现的。对热传导油系统来讲，辐射传热基本上可以忽略，传导和对流才是主要的传热方式，而且两者是结合在一起共同作用的。一般的系统都是采用一条内径相同的常通管作为膨胀管的。如下图左。在这种情况下，传导主要是通过油分子微观运动来传热的，而对流则是通过油分子的宏观运动来传热的，也就是沿着管壁的油品温度较低，会下降，管中心的油品温度较高，会上升，从而形成了热对流。对于一个连续运行的系统来说，膨胀管内部的对流是一种稳定状态下的自然对流，它所产生的影响远比传导大得多。行业里遇到此类问题普遍的做法是升高膨胀槽高度，而且认为越高越好。实际上，升高膨胀槽高度，相当于增大了膨胀管内部压力差，增加了膨胀管长度，对于降低热传导的影响是有一定作用的。但是，对于一个稳定的运行系统而言，膨胀槽内油液产生的压力与回油压力相当的，如果膨胀槽高度过高，必然导致回油压力增大，循环泵背压也会增大，从而增大循环泵功耗，降低循环泵使用寿命。严重的甚至会造成系统压力过大，产生更大的危险。因此，膨胀槽的高度应高于系统最高处2米左右为宜，这可以根据系统回油压力和热传导油密度来计算。 既然对流传热的影响更大，那么为什么不从仰制对流着手呢？我们都知道对流传热的效果只与其流动状态有关。简单讲，仰制对流传热最好的方法是改变管径和流动方向等。最后构思出了如下右图的设计方案，并进行了试验。试验结果令人欣喜，膨胀槽的温度从120℃左右降低到了50℃以下。
四、总结
从改良后的膨胀管部位示意图不难看出，最大的改进只是在膨胀管上增加了一个类似油气分离器的装置，也有人把它称为缓冲罐。而膨胀槽高度等都未发生变化。我们认为这个装置的主要作用是：
（一）该装置分别在高位和低位连接两段膨胀管，形成了一个类似“U”型管的装置；同时该装置的内径比膨胀管内径大很多，至少在两倍以上。这两个变化实际上破坏了膨胀管内油液的自然对流，最大限度地降低了对流传热产生的影响。
（二）该装置拥有更大的散热面积，可以在该装置上把油温尽可能降低，减小了对膨胀槽内油液的影响。
（三）该装置上加装了辅助排气管，可以把膨胀管内的轻馏份气体快速排出，也会降低膨胀管内油温。
无论在理论上还是实际应用中，我们都认为这是一种切实可行、行之有效的降低膨胀槽温度的方法。而且该装置结构简单，施工难度低，几乎每个热传导油系统都可以自行改进，从而有望彻底解决行业内普遍存在的膨胀槽温度过高的问题。
受专业知识所限，无法在此深入分析该装置的理论依据，仅根据实际经验和自己理解作简单总结，供行业参考。