預防導熱油變質劣化的智能監測系統研究

汪 琦 張慧芬 俞紅嘯 汪育佑

上海熱油爐設計開發中心

0 前言

導熱油在運行使用過程中會受到過熱超溫、氧化變質、化學污染等因素的影響，從而會導致導熱油品質發生變化。而在絕大多數情況下，導熱油的品質變化是不可逆變化，且這些品質變化輕則會導致導熱油的使用壽命縮短，重則會造成導熱油爐及循環供熱系統的安全事故[1]。所以在導熱油的運行使用過程中，必須要重視導熱油品質的實際狀況，并通過導熱油品質變化的智能監測系統，對導熱油品質變化產生影響的因素和存在的問題，可按照專家診斷遠程網絡系統給出的建議或方法予以及時迅速的解決。

1 過熱超溫

在導熱油爐內傳熱過程中，爐管的外表面既受到爐膛火焰輻射的作用、內表面又受到爐管內導熱油的冷卻作用[2]，因此，爐管的內表面溫度與邊界層內的導熱油液膜溫度會始終高于導熱油的主流體溫度，這也就表明在導熱油的運行使用過程中，邊界層內的導熱油會處在過熱超溫的狀態，而且還會存在著一定程度的過熱裂解現象。所以，爐管內導熱油使用的時間越長，導熱油中超溫裂解產物的累積量也就會越多。考慮到導熱油在正常使用過程中會存在一定程度的過熱超溫，但只要所選擇的導熱油熱穩定性足夠好，導熱油爐設計的輻射受熱面積和對流受熱面積的計算選取又是正確合理的，并且還保證輻射爐管內導熱油流速大于2.5 m/s，對流爐管內導熱油流速大于2.0 m/s，且導熱油爐開車升溫過程和運行操作方式是正確無誤[3]，導熱油的過熱裂解量一年控制在2%～3%范圍內，這樣在導熱油的正常運行操作過程中，導熱油的過熱超溫對導熱油爐及循環供熱系統安全和運行的影響是在可控范圍內的。

過熱超溫造成導熱油的裂解和聚合反應，其后果是導熱油原有的化學成分會形成為沸點更低的裂解產物和沸點更高的聚合產物，即是低沸物和高沸物。低沸物在運行條件下會部分氣化，并以氣泡的形式在導熱油內存在，而導熱油內的氣泡會使循環油泵出現氣蝕，并使得爐管的傳熱效果進一步惡化，最終造成導熱油加劇過熱裂解。高沸物在運行使用過程中會增加導熱油的黏度，從而惡化爐管的傳熱效果，且會造成導熱油加劇過熱裂解，此外，還有可能在爐管壁面上形成結焦，使管壁進一步增加熱阻，并導致爐管過熱而產生爆管[4]，同時由于導熱油自身品質劣化的原因，加上原有各種缺陷繼續產生不良影響，導致了導熱油在高溫加熱使用的情況下受到變質產物的影響，會加快導熱油品質劣化，致使導熱油品質從量變發展到質變，最終使其整體狀況發生根本性的變化，從而造成導熱油的徹底報廢，或者釀成導熱油爐及循環供熱系統的安全事故發生。

導熱油在高溫條件下長期工作，受到高溫加熱的作用，如果導熱油爐及循環供熱系統的設計上有缺陷問題、生產工藝條件不合理、導熱油類型牌號選擇不合適、導熱油使用運行操作方式不正確、不規范等，只要其中任何一種原因存在，并在某種生產工況條件下引發該種原因對導熱油傳熱過程的不良影響，都會造成導熱油的嚴重過熱超溫。例如，第一種不合理情況是導熱油爐的燃燒火焰或燃燒中心過于靠近某根爐管，造成該爐管局部受熱太強而引發過熱超溫[5]。第二種不合理情況是循環供熱系統內沒有設置自動流量旁路調節閥，在生產工藝負荷變動時不能使循環供熱系統內導熱油的流量保持穩定，造成輸入導熱油爐的流量減少后而引發過熱超溫。第三種不合理情況是導熱油的最高允許使用溫度與導熱油的最高工作溫度過于接近，造成導熱油在過高的操作溫度下長期工作而引發的過熱超溫。第四種不合理情況是如果發生了停電或緊急停泵的意外情況，且在導熱油爐的爐膛溫度尚未完全冷卻下來之前就去關停循環油泵，從而造成爐膛內部的高溫蓄熱全部釋放出來，并對爐管內停止流動的導熱油進行連續不斷的加熱，因此引發導熱油過熱超溫。從上述各種不合理情況可以看出，導熱油爐及循環供熱系統設計開發、導熱油類型牌號選擇、生產運行操作方式、導熱油爐與用熱設備以及管道安裝調試等各個組成環節都存在著相互依存、相互作用、相互影響的關系[6]，一旦它們相互之間的正常關系遭到破壞，就會對它們的正常運行產生不良影響，并會在安全生產方面造成嚴重的危害。導熱油本身由于具有對溫度非常敏感的弱點，所以，無論是導熱油爐及循環供熱系統受到何種原因帶來的不利影響，都會使處在高溫條件下的導熱油受到過熱超溫的嚴重危害，從而導致導熱油變質劣化。

2 氧化變質

如果在高位膨脹槽內的導熱油溫度超過70 ℃以上，并且與周圍環境中的空氣接觸時，都會發生氧化反應，最終會形成氧化產物。而且導熱油作為傳熱介質長期工作在高溫條件下，當與空氣接觸時，其氧化反應速度通常要比在常溫下的氧化反應速度高出數十倍，甚至上百倍，導熱油極其容易在敞開式高位膨脹槽內發生快速氧化變質[7]。另外，如果是生產工藝操作條件不穩定，則會造成導熱油工作溫度上下波動，從而會進一步推動導熱油加速氧化變質。特別是在間歇式生產操作條件下，或者是熱負荷及操作使用溫度頻繁變化的條件下，都會導致敞開式高位膨脹槽內的導熱油液位大幅度上下波動。并且由于敞開式高位膨脹槽內的導熱油溫度一般會更加高些，從而造成敞開式高位膨脹槽中的內、外空氣頻繁流動，空氣和導熱油表面之間的攪動接觸也就會更加劇烈，從而使得導熱油的氧化反應速度更加快，導熱油的氧化變質后果也越嚴重。

導熱油開始發生氧化時，其顏色是逐漸加深、且黏度增大。隨著導熱油的氧化反應加劇，其酸值會明顯增加、黏度會繼續加大，從而導致其傳熱效果進一步惡化，最終產生過熱超溫的問題。導熱油如果進一步繼續氧化變質，則可使導熱油形成為固態物質，再加上導熱油黏度升高的不利影響，都會嚴重影響導熱油爐的傳熱過程，并加劇導熱油超溫裂解的程度。同時也會因為超溫裂解的進一步加劇，從而產生更多的低沸物和高沸物。但是，低沸物的排放過程又會加速導熱油的老化，且高沸物的存在會加劇爐管結焦積垢的可能性。所以，在導熱油的運行使用過程中，由于氧化和過熱兩種因素的相互作用及相互影響，最后會形成導熱油變質劣化的惡性循環過程，從而會導致導熱油品質的持續劣化，直至導熱油的最終報廢。

3 化學污染

導熱油的化學污染主要來自于導熱油爐及循環供熱系統的外部環境，一般是有兩種途徑可能會導致化學污染發生。一種途徑是生產工藝過程中換熱設備內的被加熱介質泄漏。因為在換熱設備內，如果當被加熱介質一側的操作壓力高于導熱油一側的操作壓力時，并且換熱設備內又存在有制造焊接缺陷的情況下，換熱設備內就有可能會發生被加熱介質的泄漏污染導熱油的情況[8]。另一種途徑是導熱油在運輸、儲存和注入導熱油爐內的過程中被污染，從而使得污染物進入了導熱油爐及循環供熱系統內；或者是新安裝的用熱設備及供熱管道中未能清除干凈內部存在的污染物質，造成了導熱油進入后被其污染。所以，化學污染是由于其它組分的化學物質進入了導熱油內，導致了導熱油的化學污染，且難以用簡單的方法將其去除。因此，化學污染會給導熱油爐及循環供熱系統的安全操作帶來嚴重危害，同時也在經濟費用和資源使用上帶來很大的浪費。

其它組分的化學物質由于在高溫狀態下不具有良好的熱穩定性，所以，其它組分的化學物質在導熱油爐及循環供熱系統中存在，就有可能會發生如下兩種危險情況：一種情況是其它組分的化學物質會在高溫作用下發生裂解和聚合，形成高沸物和低沸物，同時造成導熱油的品質發生變化，并引起導熱油爐內傳熱過程的損壞以及傳熱效果的惡化；另一種情況是其它組分的化學物質與導熱油會發生化學反應，導致導熱油的化學性質發生變化，此種情況的危險性不僅在于其它組分的化學物質污染了導熱油，更重要的是如果在高溫條件下，其它組分的化學物質與導熱油在運行使用過程中發生不明后果的化學反應，就會給導熱油爐及循環供熱系統的運行操作帶來更大的危險和事故。

4 智能監測系統

智能監測系統包括導熱油樣品分析和品質變化的智能監測、導熱油爐運行的智能監控、導熱油循環供熱系統運行的智能監控以及專家診斷遠程網絡系統。

4.1 導熱油樣品分析和品質變化的智能監測

1）導熱油樣品分析的智能監測

智能監測導熱油樣品分析及使用壽命，包括分析導熱油的主要技術指標黏度、閃點、酸值、殘炭、餾程等，評估導熱油的可用性及其使用壽命。智能監測系統可顯示導熱油在運行使用過程中各項主要技術指標的歷史數據統計與趨勢曲線，并可顯示評估導熱油可用性和使用壽命的各項主要數據以及歷史數據統計與趨勢曲線。導熱油還未發生嚴重的變質劣化時，即可采取事前預防處理的措施，對導熱油進行樣品分析及品質檢測，并按照遠程網絡系統專家診斷給出的建議或方法去解決生產運行中遇到的實際問題，從而延長導熱油的使用壽命。

2）導熱油過熱超溫的智能監測

在運行使用過程中的導熱油過熱超溫及其對導熱油品質的危害程度[9]，可以采用導熱油樣品分析的方法對其進行準確的定性和定量檢測。因此，導熱油在運行使用過程中由于過熱超溫的原因導致其品質變化，就可以通過導熱油樣品分析中的高沸物、低沸物、黏度、不溶物等幾項檢測指標的變化加以判定和量化。智能監測系統可顯示導熱油過熱超溫及品質變化的各項主要數據的歷史數據統計與趨勢曲線，并按照遠程網絡系統專家診斷給出的建議或方法去解決生產運行中遇到的導熱油過熱超溫問題。

3）導熱油氧化變質的智能監測

在運行使用過程中的導熱油氧化變質及其對導熱油品質的危害程度，可以采用導熱油樣品分析的方法對其進行準確的定性和定量檢測。因此，導熱油在運行使用過程中由于氧化變質的原因導致其品質變化，就可以通過導熱油樣品分析中的酸值、黏度、不溶物等幾項檢測指標的變化加以判定和量化。智能監測系統可顯示導熱油氧化變質及品質變化的各項主要數據的歷史數據統計與趨勢曲線，并按照專家診斷遠程網絡系統給出的建議或方法去解決生產運行中遇到的導熱油氧化變質問題。

4）導熱油化學污染的智能監測

導熱油化學污染大多是偶然發生的，且以人為因素為主，所以，應該在導熱油爐及循環供熱系統的運行操作過程中和管理程序上予以事前防范[10]，避免事后處理，從而可防止導熱油化學污染事故的發生[11]。智能監測系統可顯示導熱油化學污染及品質變化的各項主要數據的歷史數據統計與趨勢曲線，并按照遠程網絡系統專家診斷給出的建議或方法去解決生產運行中遇到的導熱油化學污染問題。

4.2 導熱油爐運行的智能監控

智能監測導熱油爐運行的主要技術參數有進出口油溫與溫差、進出口壓力與壓差、爐膛溫度、排煙溫度、爐內氧氣含量、爐排溫度與轉速、燃料消耗量、循環油泵的流量、揚程、電流與振動值、高位膨脹槽內的油溫與液位等[12]，并對這些主要技術參數進行大數據分析，按照遠程網絡系統專家診斷給出的建議或方法去解決生產運行中遇到的實際問題。例如，敞開式高位膨脹槽內的油溫過高將會加速導熱油的氧化變質，縮短導熱油的使用壽命，故存在安全隱患。因此，按照遠程網絡系統專家診斷給出的建議或方法如下：方法一是可以通過安裝敞開式高位膨脹槽的降溫裝置，可有效地降低敞開式高位膨脹槽內的油溫，從而避免導熱油加速變質劣化，并可防止發生敞開式高位膨脹槽噴油的安全事故；方法二是采用封閉式高位膨脹槽內充填氮氣覆蓋的保護措施，并維持封閉式高位膨脹槽內的導熱油液位，以隔絕封閉式高位膨脹槽內的高溫導熱油直接與空氣接觸的機會，從而避免發生導熱油高溫氧化變質。所以，導熱油爐運行的智能監控和大數據分析，可提高導熱油爐的傳熱效果，從而可達到節能降耗的目標。

4.3 導熱油循環供熱系統運行的智能監控

設置導熱油循環供熱系統運行的智能監控系統，利用智能儀表、傳感器、觸摸屏、PLC 及通信控制技術，智能監測導熱油循環供熱系統的運行過程[13]，智能控制導熱油爐的燃燒運行狀態，循環油泵的運行狀態，鼓、引風機的運行狀態，導熱油的進出口溫度與壓力，高位膨脹槽內的油溫與液位等，并采取分類報警的方式，直至聯鎖停爐保護的方法，從而保證導熱油循環供熱系統運行是安全穩定、節能環保、經濟合理的[14]，同時還可及時發現導熱油泄漏或噴油、循環油泵氣蝕、停泵等故障，并按照專家診斷遠程網絡系統給出的建議或方法去解決這些故障，從而提高導熱油循環供熱系統運行的安全可靠性。

5 結束語

導熱油變質劣化的主要原因是過熱超溫、氧化變質、化學污染等因素造成的，并使導熱油的品質變化基本上是不可恢復的，由此造成的導熱油組分發生的化學反應也是不可逆的，但又是可以進行預防的。預防的關鍵措施是合理地優化設計開發導熱油爐及循環供熱系統，準確無誤地選擇導熱油類型牌號，以及用熱設備的導熱油使用運行操作參數，正確合理地安裝調試與操作使用導熱油爐及循環供熱系統，并對導熱油的樣品分析和品質變化進行智能監測，對導熱油爐及循環供熱系統運行進行智能監控，同時按照遠程網絡系統專家診斷給出的建議或方法去迅速解決導熱油、導熱油爐及循環供熱系統在運行使用過程中存在的各種缺陷和遇到的實際問題。

今后的設計開發目標是通過計算機對導熱油、導熱油爐及循環供熱系統建立全自動化的監測分析和預警保護的遠程網絡系統。這種數字化監測預警與分析決策的網絡系統能夠對導熱油、導熱油爐及循環供熱系統提供各類實時監測數據，并可通過計算機網絡進行遠程監控、數據查詢、導出和分析決策等，從而進一步實現對導熱油變質劣化的精準防控和對導熱油爐及循環供熱系統的安全監控與預警保護。