预防导热油变质劣化的智能监测系统研究

汪 琦 张慧芬 俞红啸 汪育佑

上海热油炉设计开发中心

0 前言

导热油在运行使用过程中会受到过热超温、氧化变质、化学污染等因素的影响，从而会导致导热油品质发生变化。而在绝大多数情况下，导热油的品质变化是不可逆变化，且这些品质变化轻则会导致导热油的使用寿命缩短，重则会造成导热油炉及循环供热系统的安全事故[1]。所以在导热油的运行使用过程中，必须要重视导热油品质的实际状况，并通过导热油品质变化的智能监测系统，对导热油品质变化产生影响的因素和存在的问题，可按照专家诊断远程网络系统给出的建议或方法予以及时迅速的解决。

1 过热超温

在导热油炉内传热过程中，炉管的外表面既受到炉膛火焰辐射的作用、内表面又受到炉管内导热油的冷却作用[2]，因此，炉管的内表面温度与边界层内的导热油液膜温度会始终高于导热油的主流体温度，这也就表明在导热油的运行使用过程中，边界层内的导热油会处在过热超温的状态，而且还会存在着一定程度的过热裂解现象。所以，炉管内导热油使用的时间越长，导热油中超温裂解产物的累积量也就会越多。考虑到导热油在正常使用过程中会存在一定程度的过热超温，但只要所选择的导热油热稳定性足够好，导热油炉设计的辐射受热面积和对流受热面积的计算选取又是正确合理的，并且还保证辐射炉管内导热油流速大于2.5 m/s，对流炉管内导热油流速大于2.0 m/s，且导热油炉开车升温过程和运行操作方式是正确无误[3]，导热油的过热裂解量一年控制在2%～3%范围内，这样在导热油的正常运行操作过程中，导热油的过热超温对导热油炉及循环供热系统安全和运行的影响是在可控范围内的。

过热超温造成导热油的裂解和聚合反应，其后果是导热油原有的化学成分会形成为沸点更低的裂解产物和沸点更高的聚合产物，即是低沸物和高沸物。低沸物在运行条件下会部分气化，并以气泡的形式在导热油内存在，而导热油内的气泡会使循环油泵出现气蚀，并使得炉管的传热效果进一步恶化，最终造成导热油加剧过热裂解。高沸物在运行使用过程中会增加导热油的黏度，从而恶化炉管的传热效果，且会造成导热油加剧过热裂解，此外，还有可能在炉管壁面上形成结焦，使管壁进一步增加热阻，并导致炉管过热而产生爆管[4]，同时由于导热油自身品质劣化的原因，加上原有各种缺陷继续产生不良影响，导致了导热油在高温加热使用的情况下受到变质产物的影响，会加快导热油品质劣化，致使导热油品质从量变发展到质变，最终使其整体状况发生根本性的变化，从而造成导热油的彻底报废，或者酿成导热油炉及循环供热系统的安全事故发生。

导热油在高温条件下长期工作，受到高温加热的作用，如果导热油炉及循环供热系统的设计上有缺陷问题、生产工艺条件不合理、导热油类型牌号选择不合适、导热油使用运行操作方式不正确、不规范等，只要其中任何一种原因存在，并在某种生产工况条件下引发该种原因对导热油传热过程的不良影响，都会造成导热油的严重过热超温。例如，第一种不合理情况是导热油炉的燃烧火焰或燃烧中心过于靠近某根炉管，造成该炉管局部受热太强而引发过热超温[5]。第二种不合理情况是循环供热系统内没有设置自动流量旁路调节阀，在生产工艺负荷变动时不能使循环供热系统内导热油的流量保持稳定，造成输入导热油炉的流量减少后而引发过热超温。第三种不合理情况是导热油的最高允许使用温度与导热油的最高工作温度过于接近，造成导热油在过高的操作温度下长期工作而引发的过热超温。第四种不合理情况是如果发生了停电或紧急停泵的意外情况，且在导热油炉的炉膛温度尚未完全冷却下来之前就去关停循环油泵，从而造成炉膛内部的高温蓄热全部释放出来，并对炉管内停止流动的导热油进行连续不断的加热，因此引发导热油过热超温。从上述各种不合理情况可以看出，导热油炉及循环供热系统设计开发、导热油类型牌号选择、生产运行操作方式、导热油炉与用热设备以及管道安装调试等各个组成环节都存在着相互依存、相互作用、相互影响的关系[6]，一旦它们相互之间的正常关系遭到破坏，就会对它们的正常运行产生不良影响，并会在安全生产方面造成严重的危害。导热油本身由于具有对温度非常敏感的弱点，所以，无论是导热油炉及循环供热系统受到何种原因带来的不利影响，都会使处在高温条件下的导热油受到过热超温的严重危害，从而导致导热油变质劣化。

2 氧化变质

如果在高位膨胀槽内的导热油温度超过70 ℃以上，并且与周围环境中的空气接触时，都会发生氧化反应，最终会形成氧化产物。而且导热油作为传热介质长期工作在高温条件下，当与空气接触时，其氧化反应速度通常要比在常温下的氧化反应速度高出数十倍，甚至上百倍，导热油极其容易在敞开式高位膨胀槽内发生快速氧化变质[7]。另外，如果是生产工艺操作条件不稳定，则会造成导热油工作温度上下波动，从而会进一步推动导热油加速氧化变质。特别是在间歇式生产操作条件下，或者是热负荷及操作使用温度频繁变化的条件下，都会导致敞开式高位膨胀槽内的导热油液位大幅度上下波动。并且由于敞开式高位膨胀槽内的导热油温度一般会更加高些，从而造成敞开式高位膨胀槽中的内、外空气频繁流动，空气和导热油表面之间的搅动接触也就会更加剧烈，从而使得导热油的氧化反应速度更加快，导热油的氧化变质后果也越严重。

导热油开始发生氧化时，其颜色是逐渐加深、且黏度增大。随着导热油的氧化反应加剧，其酸值会明显增加、黏度会继续加大，从而导致其传热效果进一步恶化，最终产生过热超温的问题。导热油如果进一步继续氧化变质，则可使导热油形成为固态物质，再加上导热油黏度升高的不利影响，都会严重影响导热油炉的传热过程，并加剧导热油超温裂解的程度。同时也会因为超温裂解的进一步加剧，从而产生更多的低沸物和高沸物。但是，低沸物的排放过程又会加速导热油的老化，且高沸物的存在会加剧炉管结焦积垢的可能性。所以，在导热油的运行使用过程中，由于氧化和过热两种因素的相互作用及相互影响，最后会形成导热油变质劣化的恶性循环过程，从而会导致导热油品质的持续劣化，直至导热油的最终报废。

3 化学污染

导热油的化学污染主要来自于导热油炉及循环供热系统的外部环境，一般是有两种途径可能会导致化学污染发生。一种途径是生产工艺过程中换热设备内的被加热介质泄漏。因为在换热设备内，如果当被加热介质一侧的操作压力高于导热油一侧的操作压力时，并且换热设备内又存在有制造焊接缺陷的情况下，换热设备内就有可能会发生被加热介质的泄漏污染导热油的情况[8]。另一种途径是导热油在运输、储存和注入导热油炉内的过程中被污染，从而使得污染物进入了导热油炉及循环供热系统内；或者是新安装的用热设备及供热管道中未能清除干净内部存在的污染物质，造成了导热油进入后被其污染。所以，化学污染是由于其它组分的化学物质进入了导热油内，导致了导热油的化学污染，且难以用简单的方法将其去除。因此，化学污染会给导热油炉及循环供热系统的安全操作带来严重危害，同时也在经济费用和资源使用上带来很大的浪费。

其它组分的化学物质由于在高温状态下不具有良好的热稳定性，所以，其它组分的化学物质在导热油炉及循环供热系统中存在，就有可能会发生如下两种危险情况：一种情况是其它组分的化学物质会在高温作用下发生裂解和聚合，形成高沸物和低沸物，同时造成导热油的品质发生变化，并引起导热油炉内传热过程的损坏以及传热效果的恶化；另一种情况是其它组分的化学物质与导热油会发生化学反应，导致导热油的化学性质发生变化，此种情况的危险性不仅在于其它组分的化学物质污染了导热油，更重要的是如果在高温条件下，其它组分的化学物质与导热油在运行使用过程中发生不明后果的化学反应，就会给导热油炉及循环供热系统的运行操作带来更大的危险和事故。

4 智能监测系统

智能监测系统包括导热油样品分析和品质变化的智能监测、导热油炉运行的智能监控、导热油循环供热系统运行的智能监控以及专家诊断远程网络系统。

4.1 导热油样品分析和品质变化的智能监测

1）导热油样品分析的智能监测

智能监测导热油样品分析及使用寿命，包括分析导热油的主要技术指标黏度、闪点、酸值、残炭、馏程等，评估导热油的可用性及其使用寿命。智能监测系统可显示导热油在运行使用过程中各项主要技术指标的历史数据统计与趋势曲线，并可显示评估导热油可用性和使用寿命的各项主要数据以及历史数据统计与趋势曲线。导热油还未发生严重的变质劣化时，即可采取事前预防处理的措施，对导热油进行样品分析及品质检测，并按照远程网络系统专家诊断给出的建议或方法去解决生产运行中遇到的实际问题，从而延长导热油的使用寿命。

2）导热油过热超温的智能监测

在运行使用过程中的导热油过热超温及其对导热油品质的危害程度[9]，可以采用导热油样品分析的方法对其进行准确的定性和定量检测。因此，导热油在运行使用过程中由于过热超温的原因导致其品质变化，就可以通过导热油样品分析中的高沸物、低沸物、黏度、不溶物等几项检测指标的变化加以判定和量化。智能监测系统可显示导热油过热超温及品质变化的各项主要数据的历史数据统计与趋势曲线，并按照远程网络系统专家诊断给出的建议或方法去解决生产运行中遇到的导热油过热超温问题。

3）导热油氧化变质的智能监测

在运行使用过程中的导热油氧化变质及其对导热油品质的危害程度，可以采用导热油样品分析的方法对其进行准确的定性和定量检测。因此，导热油在运行使用过程中由于氧化变质的原因导致其品质变化，就可以通过导热油样品分析中的酸值、黏度、不溶物等几项检测指标的变化加以判定和量化。智能监测系统可显示导热油氧化变质及品质变化的各项主要数据的历史数据统计与趋势曲线，并按照专家诊断远程网络系统给出的建议或方法去解决生产运行中遇到的导热油氧化变质问题。

4）导热油化学污染的智能监测

导热油化学污染大多是偶然发生的，且以人为因素为主，所以，应该在导热油炉及循环供热系统的运行操作过程中和管理程序上予以事前防范[10]，避免事后处理，从而可防止导热油化学污染事故的发生[11]。智能监测系统可显示导热油化学污染及品质变化的各项主要数据的历史数据统计与趋势曲线，并按照远程网络系统专家诊断给出的建议或方法去解决生产运行中遇到的导热油化学污染问题。

4.2 导热油炉运行的智能监控

智能监测导热油炉运行的主要技术参数有进出口油温与温差、进出口压力与压差、炉膛温度、排烟温度、炉内氧气含量、炉排温度与转速、燃料消耗量、循环油泵的流量、扬程、电流与振动值、高位膨胀槽内的油温与液位等[12]，并对这些主要技术参数进行大数据分析，按照远程网络系统专家诊断给出的建议或方法去解决生产运行中遇到的实际问题。例如，敞开式高位膨胀槽内的油温过高将会加速导热油的氧化变质，缩短导热油的使用寿命，故存在安全隐患。因此，按照远程网络系统专家诊断给出的建议或方法如下：方法一是可以通过安装敞开式高位膨胀槽的降温装置，可有效地降低敞开式高位膨胀槽内的油温，从而避免导热油加速变质劣化，并可防止发生敞开式高位膨胀槽喷油的安全事故；方法二是采用封闭式高位膨胀槽内充填氮气覆盖的保护措施，并维持封闭式高位膨胀槽内的导热油液位，以隔绝封闭式高位膨胀槽内的高温导热油直接与空气接触的机会，从而避免发生导热油高温氧化变质。所以，导热油炉运行的智能监控和大数据分析，可提高导热油炉的传热效果，从而可达到节能降耗的目标。

4.3 导热油循环供热系统运行的智能监控

设置导热油循环供热系统运行的智能监控系统，利用智能仪表、传感器、触摸屏、PLC 及通信控制技术，智能监测导热油循环供热系统的运行过程[13]，智能控制导热油炉的燃烧运行状态，循环油泵的运行状态，鼓、引风机的运行状态，导热油的进出口温度与压力，高位膨胀槽内的油温与液位等，并采取分类报警的方式，直至联锁停炉保护的方法，从而保证导热油循环供热系统运行是安全稳定、节能环保、经济合理的[14]，同时还可及时发现导热油泄漏或喷油、循环油泵气蚀、停泵等故障，并按照专家诊断远程网络系统给出的建议或方法去解决这些故障，从而提高导热油循环供热系统运行的安全可靠性。

5 结束语

导热油变质劣化的主要原因是过热超温、氧化变质、化学污染等因素造成的，并使导热油的品质变化基本上是不可恢复的，由此造成的导热油组分发生的化学反应也是不可逆的，但又是可以进行预防的。预防的关键措施是合理地优化设计开发导热油炉及循环供热系统，准确无误地选择导热油类型牌号，以及用热设备的导热油使用运行操作参数，正确合理地安装调试与操作使用导热油炉及循环供热系统，并对导热油的样品分析和品质变化进行智能监测，对导热油炉及循环供热系统运行进行智能监控，同时按照远程网络系统专家诊断给出的建议或方法去迅速解决导热油、导热油炉及循环供热系统在运行使用过程中存在的各种缺陷和遇到的实际问题。

今后的设计开发目标是通过计算机对导热油、导热油炉及循环供热系统建立全自动化的监测分析和预警保护的远程网络系统。这种数字化监测预警与分析决策的网络系统能够对导热油、导热油炉及循环供热系统提供各类实时监测数据，并可通过计算机网络进行远程监控、数据查询、导出和分析决策等，从而进一步实现对导热油变质劣化的精准防控和对导热油炉及循环供热系统的安全监控与预警保护。