有機熱載體鍋爐及系統安全運行的影響因素

王文麗(聊城市特種設備檢驗研究院，山東 聊城 252000)

0 引言

有機熱載體鍋爐以有機熱載體(俗稱導熱油)為熱載體，通過熱油泵使熱載體循環，將熱量傳遞給用熱設備。雖然有機熱載體鍋爐的工作壓力比較低，但爐內熱傳導液溫度高，在其運行過程中存在發生泄漏、引起火災、爆炸的危險性，甚至會造成人員傷亡和財產損失，故有機熱載體鍋爐及系統的安全運行和管理工作很重要。

1 設計缺陷影響有機熱載體質量

鍋爐及系統設計缺陷會導致使用中的有機熱載體發生嚴重質量變化，主要原因是過熱、氧化和污染等問題，而造成問題的根源，除運行過程中存在的不正確操作，主要就是由鍋爐及系統存在的設計缺陷所引發的。

1.1 設計缺陷導致過熱超溫

有機熱載體鍋爐存在設計缺陷和受熱面布置不合理是有機熱載體發生局部過熱超溫問題的主要原因之一[1]。有機熱載體過熱超溫的原因主要有四種：一是設計時選用的有機熱載體本身不合適，有機熱載體最高允許使用溫度與鍋爐最高工作溫度之間應該預留的溫度安全裕量不合適；二是鍋爐設計的最大熱流密度過大，這樣會致使其計算最高液膜溫度等于或超過所選用的有機熱載體的最高允許液膜溫度；三是鍋爐及系統的設計最低流速低于鍋爐的最低安全流速，這樣會導致通過鍋爐的有機熱載體在低流速條件下發生局部過熱超溫；四是如果鍋爐受熱面的設計及布置不合理，會造成在爐膛內形成了火焰直接沖刷輻射受熱面的問題，或者部分爐管的受熱及流動條件不相容，又或者爐管內的有機熱載體流量分配不均勻等。

1.2 開式系統缺陷導致油品氧化

導致有機熱載體發生氧化變質通常有以下情況：一是將本該按照閉式系統進行設計的系統設計成為開式系統；二是雖然將系統設計成為閉式系統，但是膨脹罐上的氮封裝置或液封裝置無法滿足系統內壓力變化需要而不能正常工作，造成氮封或液封裝置失效，導致空氣進入膨脹罐，與有機熱載體接觸發生氧化反應；三是由于開式系統的膨脹罐及管線設計缺陷或安裝不合理，導致膨脹罐內有機熱載體攪動接觸，使其快速氧化。有機熱載體的氧化后果非常嚴重，被氧化后有機熱載體的黏度和中和值會明顯增高[1]。

1.3 換熱設備缺陷導致化學污染

其他化學物質進入了有機熱載體系統，對有機熱載體形成化學污染，通常容易在換熱設備里發生有機熱載體污染事故。也就是說，當被加熱的工藝介質具有足夠高的工作壓力時，換熱設備存在的設計或制造缺陷，會導致被加熱的工藝介質泄漏，從而進入到有機熱載體系統內，造成有機熱載體的化學污染。

2 操作和運行問題影響有機熱載體質量

有機熱載體鍋爐及系統在運行過程中，如果出現不合理操作方式和運行狀況的改變，會導致有機熱載體質量快速劣化。不論是燃料、工藝參數、負荷調節、設備狀況、電力供應、導熱介質性質等條件發生變化，還是鍋爐和循環泵的頻繁停啟，或者系統突發事故被緊急停運，這些情況均有可能對系統內有機熱載體的質量變化產生不同程度的影響。將有機熱載體鍋爐及系統按照熱水鍋爐及系統的條件進行操作運行是常見的不合理操作方式。無論何種原因，只要使通過鍋爐的有機熱載體流量降低或受熱溫度升高，就可能發生有機熱載體過熱超溫現象(即便是事后迅速調控了鍋爐的運行條件)，并且，在爐膛輻射受熱面或多管并聯的對流受熱面爐管內會造成有機熱載體液液膜溫度超溫問題。超溫會導致有機熱載體發生嚴重的熱裂解，使其快速變質劣化，形成裂解產物，甚至在爐管內結焦，并惡化傳熱和引發安全事故[1]。不合理的操作方式也會導致高溫有機熱載體與空氣接觸，致使氧化。比如系統突然停電，遇到這種情況，用戶為了防止鍋爐內有機熱載體過熱超溫，就有可能用膨脹罐內的有機熱載體與爐內高溫有機熱載體進行置換，將置換出的高溫有機熱載體直接排放到開式儲罐內，但此操作方式不能避免鍋爐內有機熱載體發生過熱超溫，還會導致排入開式儲罐內的高溫有機熱載體與空氣接觸，加快其氧化。又比如有的用戶在間歇性運行的工藝系統內，為提高工藝設備的利用效率，便采用壓縮空氣作為冷卻介質，把工藝設備中的有機熱載體置換，同時把尚未完全冷卻的有機熱載體排放到系統外，且直接接觸到空氣，這樣就必然會使有機熱載體發生氧化，所以這種操作方式和工藝流程也是不合理的。

3 有機熱載體質量劣化影響鍋爐及系統安全運行

未使用有機熱載體注入系統前(包括系統初次注入和運行過程中補充的未使用有機熱載體)應根據該產品型式試驗報告，對其質量進行驗證檢驗[2]。在用有機熱載體在使用過程中，因過熱超溫、氧化及污染等影響，質量就會發生變化，變化程度不一，由量變發展到質變后，有機熱載體的質量將會嚴重影響鍋爐及系統的安全運行。有機熱載體質量變化會導致其化學及物理性質改變。化學性質的改變有可能使有機熱載體轉變為易燃的危險化學品，一旦產生這種變化便可能致使鍋爐及系統整體操作的安全性發生變化；有機熱載體物理性質的改變通常指密度、導熱系數、餾程、黏度、比熱容等的改變，這些改變會使鍋爐及工藝換熱設備的傳熱得到惡化，從而使鍋爐及系統的傳熱效率及安全受到負面影響。另外，系統內積累的低沸物、高沸物和不溶物，會對鍋爐及系統的安全運行及有機熱載體的使用壽命造成嚴重影響。在系統運行過程中，有一部分沸點更低的低沸物以氣態的形式游離在有機熱載體中，當它們通過循環泵及鍋爐的時候，會惡化鍋爐的循環及傳熱、導致循環泵氣蝕，進而使有機熱載體繼續過熱超溫、變質加速；高沸物在系統運行時，被溶解在有機熱載體內，高沸物的分子量更大，黏度更高，且化學穩定性比較差，所以它會影響傳熱，在高溫作用下還容易發生裂解或聚合，高沸物還會造成受熱面結焦、爐管阻塞的現象，更嚴重會引發爆管，導致有機熱載體泄漏等安全事故的發生。還有不溶物，在系統中會造成循環泵轉動部件、閥門、軸封等的磨損，更嚴重會使管道堵塞，使系統的正常循環受到阻礙，并且，不溶物在爐內傳熱過程中還會使爐膛輻射受熱面里面形成局部熱點，促使有機熱載體過熱超溫現象的發生。

4 有機熱載體泄漏引發事故的原因

引發有機熱載體鍋爐及系統安全事故的直接原因是：有機熱載體的泄漏。在系統循環過程中的有機熱載體不會發生燃燒，但是如果泄漏到爐膛內或外部，混合了空氣，一旦泄漏現場存在靜電火花、火花、爐膛火焰、人為火源等點火條件，這個地方就存在燃燒及爆炸的危險；另外，如果有機熱載體中的易燃氣體與空氣混合，或者燃點較低的液態有機熱載體與空氣混合，它們的混合物又遇到了達到著火溫度的火源，那必定會引發燃燒并導致火災事故的發生。

5 預防措施和方法

有機熱載體鍋爐設計、制造、安裝方面存在缺陷，有機熱載體變質、操作方式不合理是造成鍋爐及系統泄漏的主要原因，分析總結出一些預防措施和方法是非常有必要的。有機熱載體鍋爐系統的設計型式應當根據所選用的有機熱載體的特性和最高工作溫度及系統運行方式確定[3]。應優先選擇閉式循環系統。在設計鍋爐及系統時，應當考慮采取防止其發生泄漏的措施，比如：系統內的設備及管線連接盡量采用焊接型式，少用法蘭連接型式，不用螺紋連接型式。在膨脹罐上設置液位自動檢測、報警和連鎖裝置，利于操作人員早期發現并及時采取措施；考慮對有機熱載體循環流量及工作溫度的檢測和自動控制；有機熱載體數量較大的系統設計時，應考慮把系統用的閥門分隔成若干個區域，如果某一設備或管線發生泄漏，就可以對該區域用閥門進行隔離，從而減少系統中有機熱載體的泄漏量。鍋爐及系統的壓力試驗應當符合《鍋爐安全技術規程》的相關要求。將有機熱載體注入新安裝的系統前，或鍋爐及系統經過檢修后，還應當對鍋爐及系統進行一次泄漏性氣密試驗。有機熱載體產品的選擇和使用應當符合GB 23971—2019《有機熱載體》和GB/T 24747—2009《有機熱載體安全技術條件》的要求[3]。鍋爐爐管及系統的管道布置和安裝，應當按照管道的最高工作溫度計算其熱脹冷縮及受力條件，并根據計算結果合理布置爐管和設置管道的支吊架及膨脹補償器；鍋爐及系統的壓力試驗應當符合《鍋爐安全技術規程》的相關要求。鍋爐及系統的焊接應當嚴格按照焊接工藝要求進行操作，焊接質量應當符合《鍋爐安全技術規程》有關焊接質量檢驗要求。操作方式應合理，應保證鍋爐及系統穩定運行，盡量避免改變鍋爐燃料或燃燒、工藝、負荷及設備等條件，最大程度減少鍋爐和循環泵的頻繁停啟，采用適當措施保障鍋爐循環泵的電力供應。在用有機熱載體應定期進行取樣檢驗，并根據檢驗結果，考慮采取必要的處置措施。鍋爐和系統檢修時，焊接應當在循環系統的被焊接組件內的易燃氣體和空氣的混合物被惰性氣體完全吹掃后進行[3]；在整個焊接過程中，吹掃操作應當連續進行[3]；系統中被有機熱載體浸潤過的保溫材料不應當繼續使用[3]；已經發生燃燒的保溫層不應當立即打開，必須在保溫層被充分冷卻后再將其拆除更換[3]。若發生泄漏，有機熱載體發生燃燒，應當采用干粉或泡沫滅火劑將其撲滅。如果發生大量有機熱載體泄漏并燃燒，操作人員應立刻切斷電源并撤離現場，同時撥打火警電話，報告有關部門。

6 結語

有機熱載體鍋爐使用數量不斷增加，其安全運行的要求逐漸提高，通過對TSG 11—2020《鍋爐安全技術規程》、GB 23971—2009《有機熱載體》及GB 24747—2009《有機熱載體安全技術條件》等標準的學習，結合作者本人在有機熱載體鍋爐檢驗工作的經驗，參考安全泄漏事故的教訓，總結分析了影響鍋爐及系統安全運行的因素，提出上述預防措施和方法，以促進有機熱載體鍋爐及系統能夠安全可靠地運行。