有机热载体锅炉及系统安全运行的影响因素

王文丽(聊城市特种设备检验研究院，山东 聊城 252000)

0 引言

有机热载体锅炉以有机热载体(俗称导热油)为热载体，通过热油泵使热载体循环，将热量传递给用热设备。虽然有机热载体锅炉的工作压力比较低，但炉内热传导液温度高，在其运行过程中存在发生泄漏、引起火灾、爆炸的危险性，甚至会造成人员伤亡和财产损失，故有机热载体锅炉及系统的安全运行和管理工作很重要。

1 设计缺陷影响有机热载体质量

锅炉及系统设计缺陷会导致使用中的有机热载体发生严重质量变化，主要原因是过热、氧化和污染等问题，而造成问题的根源，除运行过程中存在的不正确操作，主要就是由锅炉及系统存在的设计缺陷所引发的。

1.1 设计缺陷导致过热超温

有机热载体锅炉存在设计缺陷和受热面布置不合理是有机热载体发生局部过热超温问题的主要原因之一[1]。有机热载体过热超温的原因主要有四种：一是设计时选用的有机热载体本身不合适，有机热载体最高允许使用温度与锅炉最高工作温度之间应该预留的温度安全裕量不合适；二是锅炉设计的最大热流密度过大，这样会致使其计算最高液膜温度等于或超过所选用的有机热载体的最高允许液膜温度；三是锅炉及系统的设计最低流速低于锅炉的最低安全流速，这样会导致通过锅炉的有机热载体在低流速条件下发生局部过热超温；四是如果锅炉受热面的设计及布置不合理，会造成在炉膛内形成了火焰直接冲刷辐射受热面的问题，或者部分炉管的受热及流动条件不相容，又或者炉管内的有机热载体流量分配不均匀等。

1.2 开式系统缺陷导致油品氧化

导致有机热载体发生氧化变质通常有以下情况：一是将本该按照闭式系统进行设计的系统设计成为开式系统；二是虽然将系统设计成为闭式系统，但是膨胀罐上的氮封装置或液封装置无法满足系统内压力变化需要而不能正常工作，造成氮封或液封装置失效，导致空气进入膨胀罐，与有机热载体接触发生氧化反应；三是由于开式系统的膨胀罐及管线设计缺陷或安装不合理，导致膨胀罐内有机热载体搅动接触，使其快速氧化。有机热载体的氧化后果非常严重，被氧化后有机热载体的黏度和中和值会明显增高[1]。

1.3 换热设备缺陷导致化学污染

其他化学物质进入了有机热载体系统，对有机热载体形成化学污染，通常容易在换热设备里发生有机热载体污染事故。也就是说，当被加热的工艺介质具有足够高的工作压力时，换热设备存在的设计或制造缺陷，会导致被加热的工艺介质泄漏，从而进入到有机热载体系统内，造成有机热载体的化学污染。

2 操作和运行问题影响有机热载体质量

有机热载体锅炉及系统在运行过程中，如果出现不合理操作方式和运行状况的改变，会导致有机热载体质量快速劣化。不论是燃料、工艺参数、负荷调节、设备状况、电力供应、导热介质性质等条件发生变化，还是锅炉和循环泵的频繁停启，或者系统突发事故被紧急停运，这些情况均有可能对系统内有机热载体的质量变化产生不同程度的影响。将有机热载体锅炉及系统按照热水锅炉及系统的条件进行操作运行是常见的不合理操作方式。无论何种原因，只要使通过锅炉的有机热载体流量降低或受热温度升高，就可能发生有机热载体过热超温现象(即便是事后迅速调控了锅炉的运行条件)，并且，在炉膛辐射受热面或多管并联的对流受热面炉管内会造成有机热载体液液膜温度超温问题。超温会导致有机热载体发生严重的热裂解，使其快速变质劣化，形成裂解产物，甚至在炉管内结焦，并恶化传热和引发安全事故[1]。不合理的操作方式也会导致高温有机热载体与空气接触，致使氧化。比如系统突然停电，遇到这种情况，用户为了防止锅炉内有机热载体过热超温，就有可能用膨胀罐内的有机热载体与炉内高温有机热载体进行置换，将置换出的高温有机热载体直接排放到开式储罐内，但此操作方式不能避免锅炉内有机热载体发生过热超温，还会导致排入开式储罐内的高温有机热载体与空气接触，加快其氧化。又比如有的用户在间歇性运行的工艺系统内，为提高工艺设备的利用效率，便采用压缩空气作为冷却介质，把工艺设备中的有机热载体置换，同时把尚未完全冷却的有机热载体排放到系统外，且直接接触到空气，这样就必然会使有机热载体发生氧化，所以这种操作方式和工艺流程也是不合理的。

3 有机热载体质量劣化影响锅炉及系统安全运行

未使用有机热载体注入系统前(包括系统初次注入和运行过程中补充的未使用有机热载体)应根据该产品型式试验报告，对其质量进行验证检验[2]。在用有机热载体在使用过程中，因过热超温、氧化及污染等影响，质量就会发生变化，变化程度不一，由量变发展到质变后，有机热载体的质量将会严重影响锅炉及系统的安全运行。有机热载体质量变化会导致其化学及物理性质改变。化学性质的改变有可能使有机热载体转变为易燃的危险化学品，一旦产生这种变化便可能致使锅炉及系统整体操作的安全性发生变化；有机热载体物理性质的改变通常指密度、导热系数、馏程、黏度、比热容等的改变，这些改变会使锅炉及工艺换热设备的传热得到恶化，从而使锅炉及系统的传热效率及安全受到负面影响。另外，系统内积累的低沸物、高沸物和不溶物，会对锅炉及系统的安全运行及有机热载体的使用寿命造成严重影响。在系统运行过程中，有一部分沸点更低的低沸物以气态的形式游离在有机热载体中，当它们通过循环泵及锅炉的时候，会恶化锅炉的循环及传热、导致循环泵气蚀，进而使有机热载体继续过热超温、变质加速；高沸物在系统运行时，被溶解在有机热载体内，高沸物的分子量更大，黏度更高，且化学稳定性比较差，所以它会影响传热，在高温作用下还容易发生裂解或聚合，高沸物还会造成受热面结焦、炉管阻塞的现象，更严重会引发爆管，导致有机热载体泄漏等安全事故的发生。还有不溶物，在系统中会造成循环泵转动部件、阀门、轴封等的磨损，更严重会使管道堵塞，使系统的正常循环受到阻碍，并且，不溶物在炉内传热过程中还会使炉膛辐射受热面里面形成局部热点，促使有机热载体过热超温现象的发生。

4 有机热载体泄漏引发事故的原因

引发有机热载体锅炉及系统安全事故的直接原因是：有机热载体的泄漏。在系统循环过程中的有机热载体不会发生燃烧，但是如果泄漏到炉膛内或外部，混合了空气，一旦泄漏现场存在静电火花、火花、炉膛火焰、人为火源等点火条件，这个地方就存在燃烧及爆炸的危险；另外，如果有机热载体中的易燃气体与空气混合，或者燃点较低的液态有机热载体与空气混合，它们的混合物又遇到了达到着火温度的火源，那必定会引发燃烧并导致火灾事故的发生。

5 预防措施和方法

有机热载体锅炉设计、制造、安装方面存在缺陷，有机热载体变质、操作方式不合理是造成锅炉及系统泄漏的主要原因，分析总结出一些预防措施和方法是非常有必要的。有机热载体锅炉系统的设计型式应当根据所选用的有机热载体的特性和最高工作温度及系统运行方式确定[3]。应优先选择闭式循环系统。在设计锅炉及系统时，应当考虑采取防止其发生泄漏的措施，比如：系统内的设备及管线连接尽量采用焊接型式，少用法兰连接型式，不用螺纹连接型式。在膨胀罐上设置液位自动检测、报警和连锁装置，利于操作人员早期发现并及时采取措施；考虑对有机热载体循环流量及工作温度的检测和自动控制；有机热载体数量较大的系统设计时，应考虑把系统用的阀门分隔成若干个区域，如果某一设备或管线发生泄漏，就可以对该区域用阀门进行隔离，从而减少系统中有机热载体的泄漏量。锅炉及系统的压力试验应当符合《锅炉安全技术规程》的相关要求。将有机热载体注入新安装的系统前，或锅炉及系统经过检修后，还应当对锅炉及系统进行一次泄漏性气密试验。有机热载体产品的选择和使用应当符合GB 23971—2019《有机热载体》和GB/T 24747—2009《有机热载体安全技术条件》的要求[3]。锅炉炉管及系统的管道布置和安装，应当按照管道的最高工作温度计算其热胀冷缩及受力条件，并根据计算结果合理布置炉管和设置管道的支吊架及膨胀补偿器；锅炉及系统的压力试验应当符合《锅炉安全技术规程》的相关要求。锅炉及系统的焊接应当严格按照焊接工艺要求进行操作，焊接质量应当符合《锅炉安全技术规程》有关焊接质量检验要求。操作方式应合理，应保证锅炉及系统稳定运行，尽量避免改变锅炉燃料或燃烧、工艺、负荷及设备等条件，最大程度减少锅炉和循环泵的频繁停启，采用适当措施保障锅炉循环泵的电力供应。在用有机热载体应定期进行取样检验，并根据检验结果，考虑采取必要的处置措施。锅炉和系统检修时，焊接应当在循环系统的被焊接组件内的易燃气体和空气的混合物被惰性气体完全吹扫后进行[3]；在整个焊接过程中，吹扫操作应当连续进行[3]；系统中被有机热载体浸润过的保温材料不应当继续使用[3]；已经发生燃烧的保温层不应当立即打开，必须在保温层被充分冷却后再将其拆除更换[3]。若发生泄漏，有机热载体发生燃烧，应当采用干粉或泡沫灭火剂将其扑灭。如果发生大量有机热载体泄漏并燃烧，操作人员应立刻切断电源并撤离现场，同时拨打火警电话，报告有关部门。

6 结语

有机热载体锅炉使用数量不断增加，其安全运行的要求逐渐提高，通过对TSG 11—2020《锅炉安全技术规程》、GB 23971—2009《有机热载体》及GB 24747—2009《有机热载体安全技术条件》等标准的学习，结合作者本人在有机热载体锅炉检验工作的经验，参考安全泄漏事故的教训，总结分析了影响锅炉及系统安全运行的因素，提出上述预防措施和方法，以促进有机热载体锅炉及系统能够安全可靠地运行。