分子筛脱水装置根据再生压力和再生深度要求的不同，需要将再生气升温到220~300 ℃。分子筛的再生加热系统是影响分子筛脱水装置的整体能耗及安全稳定运行的重要因素。从适用工况、安全性能、设备投资、优缺点等方面对直接式电加热器、盘管式铸铝电加热器、燃气导热油炉、电加热导热油炉4种再生加热方式进行了技术对比分析。
由于分子筛脱水工艺具有可达到更低的水露点、操作简单等优点[1]，被广泛应用于LNG、CNG等水露点控制严格的场合，为了实现分子筛脱水装置的连续操作，应至少有一台分子筛塔处于吸附状态，另一台分子筛塔处于再生状态。天然气脱水装置一般会采用两塔、三塔或多塔流程[2]。直接式电加热器、燃气导热油炉和电加热导热油炉是天然气分子筛脱水装置常用的再生加热方式。近年来，一种间接加热的盘管式铸铝电加热器被成功地推广应用到天然气分子筛脱水工艺中。
直接式电加热器利用电加热元件产生热量，通过强制对流的方式对介质进行加热[3]，原油天然气加热用直接式电加热器在小负荷工况中应用较为普遍[4]。
直接式电加热器由防爆电加热芯、壳体和温度控制系统3大部分组成。其中，防爆电加热芯由防爆接线腔室、散热区、法兰管板、电热元件、折流板、设备内测温元件等组成，见图 1。
直接式电加热器常见故障包括：壳体鼓包或破裂、电热元件烧坏、电热元件积炭或结焦、可控硅故障、温度控制系统故障等。图 2为壳体破裂及着火事故典型现场照片。
直接式电加热器壳体破裂问题的主要原因包括：①介质流量偏低，电加热器的联锁保护设置不完善或联锁保护失效，导致电加热器“干烧”；②壳体局部温度超高，材料屈服强度大幅下降，在内部压力的作用下，金属材料发生了“延性断裂”；③直接式电加热器内部电热元件与天然气没有隔离，壳体破裂后内部天然气介质泄漏引发燃烧爆炸事故。从电加热器的技术法规现状来看，行业内对于天然气电加热器缺乏国家强制性标准，国内厂家多按企业标准执行，产品质量参差不齐，导致直接式电加热器事故频发。
电热元件表面负荷指的是电热元件外表面的功率密度，是决定电加热器使用寿命的重要参数。表 1为JB/T 2379-2016 《金属管状电热元件》中表面负荷的推荐值。
图 3为美国Heatrex公司在常压、空气温度为24 ℃下不同表面负荷、不同流速下的电热元件表面温度数据。
介质流速、表面负荷、介质工作温度共同影响电热元件的表面温度。表 1、图 3给出的是空气加热的相关数据，相关标准中未见针对天然气的表面负荷推荐值，国内通常将表面负荷控制在2 W/m2以下。在设计合理、流量控制和温度保护措施完善的前提下，建议将表面负荷控制在2.5~3.5 W/m2，有利于提升热效率和降低投资。
介质进口应靠近电加热器接线腔室端，电热元件引线端设置有非加热区，可有效地阻止热量传递到防爆接线腔，防爆接线腔内的温度应低于60 ℃，以防止接线柱、电缆、温控仪表等寿命缩短。
卧式筒体顶部更容易形成高温死区，立式筒体结构更有利于热介质的散热，不易产生壳体局部过热的问题，建议首选立式电加热器。若选用卧式电加热器，应特别关注以下建议：
(1) 折流板设计。折流板的布置对筒体内温度场的影响较大，折流板可保证电热元件的有效固定，不会发生弯曲变形从而影响性能；提高介质流速，便于均匀加热，避免电热元件局部过热烧坏和壳体局部高温发生鼓包破裂事故。厂家应进行不同流量下的温度场模拟分析，优化设计折流板，限定介质最小流量。
(2) 针对卧式结构，介质进出口方位建议设置在壳体正上方，配合折流板可使得内部气流上下折返流动，避免在顶部形成高温死区。
国产直接式电加热器配备的控制保护措施通常不完善，一般采用介质出口温度作为调整功率的控制信号、电热元件超温作为保护停机信号。针对石油天然气的易燃易爆特性，直接式电加热器应配备完善的控制保护措施，才能杜绝安全事故的产生。
建议从不同原理、不同路径进行控制保护，采用直接式电加热器自带温度控制系统联锁保护、PLC/DCS控制系统联锁保护和机械式温度开关联锁保护等方式形成多维度多点控制保护措施(见表 2)。
直接式电加热器在合理设计、良好制造、配备完善的多维度多点控制保护措施后，可确保安全高效运行。
从电热元件与介质间接触更安全的角度考虑，一种易燃易爆高压气态介质间接电加热器被推广应用于分子筛再生气的加热[5]，即盘管式铸铝电加热器，适用于高、中、低压油气介质和易燃、易爆、易腐蚀介质的加热。
盘管式铸铝电加热器由防爆接线腔室、电热元件、铝块、盘管、设备内测温元件、保温层和温度控制系统等组成，如图 4所示。
盘管式铸铝电加热器的主要结构特点包括：
(1) 电热元件和介质间有多层金属隔离，热量由电加热管-铸铝-金属管道-介质层层传热，间接接触，具有本质安全的特点。
(2) 受压元件为盘管，相对于直接式电加热器压力容器壳体，更能适应高压、腐蚀性和毒性介质的特殊工况。
(3) 金属间换热面积大，热传递快，具有较好的均热能力，消除了设备热点及冷点现象。
盘管式铸铝电加热器在本质上还是电加热器的范畴，同样也会发生电热元件烧坏、可控硅调功器故障、温度控制系统故障等常见故障，在此不再赘述。
(1) 铝块烧熔问题，如温度控制系统失效，电热元件表面超温会造成铝块熔化。
(2) 不同金属热膨胀系数不同，铝、电热元件和盘管浇筑为一体，不合理的设计会导致因形变不同而引起电热元件或盘管的损坏。这是铸铝电加热器的固有问题。
JB/T 2379-2016《金属管状电热元件》中针对浇筑在金属材料内的电热元件表面负荷推荐值为13 W/cm2(见表 1)。不同金属的最高允许使用温度不同，电热元件表面负荷也应有所区别，因此，该推荐值参考意义不大。查询国外多个厂家的技术资料，对于铸铝电加热器，TEMPCO、ELMEC等公司推荐的电热元件表面负荷≤5.5 W/cm2，CHROMALOX公司推荐的电热元件表面负荷≤7.5 W/cm2。建议将铸铝电加热器电热元件表面负荷控制在5.0 W/cm2以内，电热元件应均匀布置在铝块和盘管间，电热元件的数量也受盘管面积的影响，因此，要经过合理布置和温度场模拟计算来确定合适的表面负荷。
针对“两塔”分子筛脱水装置，存在周期性的变温再生或变温变压再生，属于应力交变工况，考虑到不同金属的热膨胀系数的差异，厂家应进行整体建模和交变工况下的疲劳分析计算。
导热油炉系统由于其高温、低压、安全、可靠等特点，已被广泛应用于石油化工、造纸纺织、航空航天等各个行业[6]。
燃气导热油供热系统由燃烧器、导热油炉、空气预热器、膨胀槽、储油槽、循环泵、用热设备、烟风管道、供热管网、自动控制系统、燃料气系统等部分组成(见图 5)。
燃气导热油炉系统常见故障有燃烧器故障停炉、导热油劣化、设备腐蚀、膨胀槽超温、盘管爆管、导热油泄漏燃烧等。图 6为炉管内表面杂质沉积结焦情况，图 7为膨胀槽管口腐蚀开裂情况，图 8为导热油尾端盘管破裂情况。出现这些问题的主要原因为：
(1) 导热油取样检测频率较低，未能及时发现导热油劣化。
(2) 导热油炉盘管内积炭结垢严重，局部过热干烧发生爆管。盘管破裂位置多为外圈盘管靠近辐射段尾部位置，辐射段烟气温度较高，外圈盘管相对于内圈盘管流速相对较低，若运行时实际流量低于最小设计流量，外圈盘管最容易堵塞，局部过热，最终导致盘管破裂。
(3) 膨胀槽长期运行温度高，没有惰性气体保护，导热油氧化变质，产生有机酸和不溶物，有机酸会加快设备腐蚀，不溶物会逐渐沉积，导致盘管出现结焦堵塞甚至爆管。
(4) 实际运行过程中未能有效监控重点工艺参数，如膨胀罐温度过高、热油循环泵流量过低、排烟温度过高、导热油进出口压差过大等。
导热油选用应在考虑物化性能指标、最高使用温度、油膜温度的前提下，结合价格、使用寿命进行技术经济比较后确定[7]。导热油的最高允许使用温度应比工艺要求的导热油最高工作温度高25~30 ℃，导热油的允许膜温比最高允许使用温度高20~30 ℃。应优先选择合成型的导热油，合成型导热油较矿物型导热油具有热稳定性好、允许使用温度高等优点。
导热油的物性指标是控制导热油热工性能和工艺品质的主要理论依据，必须定期进行测试。GB 24747-2009《有机热载体安全技术条件》要求新装置完成调试后，应在运行3个月内进行首次检验，之后至少应每年取样检测1次。若导热油的黏度变化超过原技术指标的15%，闪点变化超过原技术指标的20%，酸值超过0.5 mg KOH/g，残炭质量分数增加达到1.5%时，可认为该导热油变质劣化严重，需更换新的导热油[8]。
导热油进出口油压差是监视导热油炉管内流量的一个安全性指标。正常情况下，导热油炉进出口的压差波动很小，并应在确定的范围内波动，如果发生局部堵塞、汽蚀等异常情况，压差波动会增加甚至超出常规范围，应立即采取炉内压火降温措施，并检查排除故障。压差也不能过小，过小表明导热油流量小，即盘内部流速偏小，会导致盘管温度过高而出现结焦爆管问题。运行初始压差值很重要，后续运行过程中的实际压差要和初始压差做比较，当压差值小于初始值的50%时，为避免炉膛换热管结焦，应检查导热油流量是否过低。
GB/T 17410-2008《有机热载体炉》要求辐射受热管内导热油的流速不低于2 m/s，对流受热管内导热油的流速不低于1.5 m/s，以避免盘管温度过高积炭结焦。国内导热油设计流速多取2.5~3.0 m/s，国外厂家推荐流速多为2.0~4.0 m/s。厂家应提供导热油计算流速值，并给出最小导热油流量要求。
当膨胀槽工作温度超过80 ℃时，必须有隔离空气的措施，否则导热油会因急剧氧化而发生变质，产生有机酸和不溶物。有文献报道，膨胀槽工作温度每高出10 ℃，导热油的氧化速率会加快1倍。
排烟温度反映了导热油炉受热面的吸热状况，当受热面上积灰与结焦时，会严重影响热量的吸收，使排烟温度升高。而当导热油炉的炉管爆裂、导热油发生内部泄漏时，导热油会在炉膛内发生燃烧，使排烟温度急剧升高[9]。如烟囱排烟突然有异常黑烟出现，基本可以判定炉膛内有导热油泄漏发生了燃烧。
膨胀槽、储油罐多采用氮气密封使整个系统为闭式系统，保护导热油不被氧化变质。作为密闭系统，氮气的理论持续消耗很小，但从实际来看，接近常压下管道系统的泄漏点很难查找，微压下氮气外漏是不可避免的。因此，氮气系统要有足够的富裕量。
电加热导热油炉系统是以电能为能源的导热油供热系统，由电加热导热油炉、膨胀槽、储油槽、导热油循环泵、用热设备、供热管线、自动控制系统等部分组成。图 9为电加热导热油炉橇装装置。
与燃气导热油炉系统相比，电加热导热油炉系统的主要结构特点在于：①电加热导热油炉可在爆炸性气体区域长期连续工作，可与用热设备就近安装，减少占地面积和投资；②自动化程度高，可实现功率0~100%无级调功，控温精度高，热效率可达95%以上；③与燃气锅炉的功率阶梯分级相比，电加热导热油炉功率规格划分灵活，便于实现小型化、标准化、模块化。
电加热导热油炉系统的常见故障分为电加热部分和导热油系统部分，电加热部分的常见故障有电热元件结焦烧坏、可控硅故障、温度控制系统故障等。导热油系统部分常见故障有导热油劣化、设备腐蚀、油泵故障、导热油泄漏燃烧、膨胀槽超温等。
电热元件和导热油直接接触，电热元件外表面温度要比导热油主流体温度高得多，如果控制不好电热元件表面温度，会导致导热油的加速劣化和电热元件结焦烧坏。
电热元件表面负荷和导热油流速是不可分开的两个参数。如流速过低，将使电热元件表面的流动状态由湍流变为层流，虽然导热油平均温度并没有超过其最高使用温度，但在紧贴电热元件外表面的高温区域中，可能已经发生了局部超温，导热油出现分解劣化。此时，将出现恶性循环，电热元件局部结焦，使导热油流动更加不畅，局部超温的现象更加严重，加快导热油的分解劣化，甚至导致电加热管束的报废[10]。系统设计时应能实现流量的自动控制，流量低于设定值自动按比例打开旁通，低流量报警，低低流量停止电加热器。
TSG G0001-2012《锅炉安全技术监察规程》中明确规定，电热元件表面负荷一般不得超过2 W/cm2，但在TSG 11-2020《锅炉安全技术规程》中没有再明确提出电热元件表面负荷的推荐值。
文献[11]中提到，通过试验和长期运行实践可以得出，电热元件表面负荷与流动状态、流速等互为函数关系，在一定的技术条件范围内，电热元件表面负荷在2.0~3.0 W/cm2之间可调。
OEM、OGDEN、CHROMALOX等国外公司针对Thermibol 55导热油的推荐为：当表面负荷为3.56 W/cm2时，导热油最小允许流速为1.06 m/s；当表面负荷为2.48 W/cm2时，导热油最小允许流速为0.76 m/s；当表面负荷为1.24 W/cm2时，导热油最小允许流速为0.457 m/s。JB/T 2379-2016《金属管状电热元件》针对流动导热油推荐的表面负荷为2.5 W/cm2。表面负荷较小会导致电热元件增加、炉体体积增大及导热油注入量增大，设备材料消耗增加，从而导致热效率降低，不利于节能降耗。因此，建议电热元件表面负荷控制在2~3 W/cm2。
电热元件的表面温度比导热油主流体温度高，电热元件表面最高温度不应高于导热油最高允许使用温度。在合理的导热油流速和电热元件表面负荷下，电热元件表面温度可控制在比导热油主体温度高20~30 ℃。
建议在工厂内使用干燥氮气或压缩空气进行导热油炉系统的压力试验，避免系统内残存过多的水分，导致系统调试投产时煮炉排气时间过长，同时避免冬季系统内水分结冰的问题。
从适用工况、安全性能、设备投资、优点、缺点等方面对4种再生加热系统进行分析对比(见表 3)。
(1) 电热元件表面负荷是电加热器的重要技术参数。针对直接式电加热器，建议电热元件表面负荷可控制在2.5~3.5 W/m2；针对盘管式铸铝电加热器，建议电热元件表面负荷控制在5.0 W/cm2以下；针对电加热导热油炉系统，建议电热元件表面负荷控制在2.0~3.0 W/cm2。
(2) 直接式电加热器的建议热负荷在300 kW以下，其设备投资最低，应配备完善的多维度多点控制保护措施来保证安全高效运行。更大功率的使用要考虑用电负荷对供电系统的影响和用电带来的高运行成本。
(3) 盘管式铸铝电加热器的建议热负荷≤200 kW，由于其间接加热、盘管为受压元件的特点，高压、有腐蚀性、有毒介质等特殊工况建议选用。
(4) 电加热导热油炉系统的建议热负荷为150~400 kW，同时具备间接加热和满足防爆要求的特点，其热负荷规格划分更灵活，便于实现小型化、标准化、模块化。
(5) 燃气导热油炉系统的建议热负荷≥360 kW，其运行成本低，在热负荷大、多点用热和双温位用热等工况下建议选用。
2023, Vol. 52 Issue (1): 17-24 2023, Vol. 52 Issue (1): 17-24