設備增加循環水反沖洗閥對合成氨生產的影響與作用

王 濤，劉 琨，崔立波

（1.山東洪達化工有限公司，菏澤鄆城 274700；2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅蘭州 730060）

1 化工生產現狀

化工生產中循環水系統必不可少，目的通常是為了帶走工藝循環中的廢熱，循環水是化工生產重要的換熱載體，是化工企業的血液。循環水有循環量大、新鮮水量消耗高、結垢和腐蝕風險高等特點[1]。一般由吸水井、水泵、進出口管道、沉降池、過濾器、涼水塔及各類換熱設備構件組成。其主要作用是對工藝介質溫度及非工藝介質或設備的冷卻，其目的是對水的重復使用，節約水資源，提高水的利用率。循環水系統分為密閉式循環水系統和敞開式循環水系統兩大類，而化工企業多采用敞開式循環水系統服務于化工生產。

采用敞開式循環水系統，有利有弊。利，在于實現了對冷卻水的高度重復利用，節約水資源。弊，在于循環過程中，設備結構和多種材料共同的作用，會導致水的蒸發濃縮和空氣中雜物的引入，循環水的水質便會慢慢惡化，原水及補水中微生物的存在，也同樣威脅和影響著循環水系統安全穩定運行，系統一般采用過濾、加藥、補水置換等方式控制和穩定循環水水質。盡管在水質控制上有以上三種措施，但從實際生產過程及設備檢維修現場來看，循環水攜帶部分物質在設備內的沉淀、附著依然存在，且嚴重影響設備換熱效率，無形中增加水、電消耗，拉高制造成本。

在生產連續性較強的生產工藝中，面對逐漸下降的換熱效果，基本選擇增大藥劑投用量、增加備用換熱設備或停工對設備進行清洗等方法進行控制。這些方法被動且增加了設備維修頻率及制造成本控制難度。

2 鄆城旭陽合成氨裝置面臨問題

鄆城旭陽合成氨各裝置均面臨以上問題，不但循環水濁度和微生物黏泥含量高且伴隨季節交替變化，尤其是春夏季節，問題表現較為明顯，設備換熱效率下降，直接影響裝置生產[2]。

循環水與冷卻塔內部的工業大氣反復接觸，工業大氣中的塵埃落入循環水形成懸浮物，冷卻水系統中生成的腐蝕產物和微生物繁衍生成的黏泥同樣形成懸浮物。隨著循環程序持續進行，循環水不斷蒸發濃縮，水中懸浮物和濁度不斷升高。其中，焦爐氣壓縮機各級水冷器、制氫水冷器、富氧及二合一機組各段水冷器、合成水冷器、空壓機水冷器及其他設備表現尤為明顯，均表現出設備或工藝溫度上漲及超標現象。考慮成本問題，分析增加循環水反沖洗閥對合成氨生產的影響與作用。

3 反沖洗閥

反沖洗閥是一種專用的水力控制閥門，依靠管線系統壓力驅動，實現自動反沖洗。相比于傳統的開式循環水系統，反沖洗閥利用壓差實現對循環水的反沖洗，在一定程度上實現了對循環水的高效利用，節約了水資源。維持循環水水質，工業上一般采取過濾、加藥、補水置換等方式，但是從實際運行效果上來看，這三種配合措施取得的效果并不是很理想，原水中由于水的蒸發濃縮、空氣雜質引入、微生物繁殖，循環水的水質受到影響；另外，循環水攜帶的部分不溶物的沉淀長期影響設備換熱效率，隨著時間推移會對設備造成堵塞，增加運行成本。對設備進行改進，使用反沖閥對循環水進行反沖洗操作，利用物理的方式減少了能源消耗，也到達了優化工業生產的目的。

3.1 傳統四閥門組合控制反沖洗閥

傳統的反沖洗設備往往采用四閥門組合控制的結構，如圖1所示。

圖1 傳統四閥門組合控制的反沖洗閥

過濾模式：出水通路的兩個閥門打開，反沖洗通路的兩個閥門關閉。

圖1中反沖閥處于過濾模式。此時，出水通路的兩個閥門打開，反沖洗通路的排污口和反向出水口兩閥門關閉，水流進入過濾裝置，系統整體處于過濾階段[3]。

反沖洗模式：出水通路的兩個閥門關閉，反沖洗通路的兩個閥門打開。

圖2中反沖閥系統實現反沖洗。此時，出水通路的兩個閥門關閉，反沖洗通路的排污口和反向出水口兩閥門打開，水流反向進入過濾裝置，逐步從排污口排出循環水實現反沖洗，系統整體處于反沖洗階段[3]。傳統四閥門組合控制反沖閥通過調節不同位置的閥門實現不同的工作狀態，閥門的啟閉會造成過大的流量系數脈動，產生漩渦、汽蝕、能量損失，長時間會對反沖閥產生一定磨損，另外也會腐蝕管線[3]。

圖2 傳統四閥門組合控制的反沖洗閥

3.2 隔膜兩位三通反沖洗閥

從結構上來看，相比傳統的四閥門組合控制的反沖閥，此型沖洗閥創新地將出水管路和反沖洗排污管路整合在一起，管線減少所需要使用控制閥也減少，單個管路只需要控制單個控制閥門即可以實現對系統的控制，簡化了反沖閥的結構，減少了閥門啟閉時所產生的流量系數脈動；另外，閥門的減少，提高了設備的可操作性，減少了操作時間提升了沖洗效率；管線的優化，減少了流量、管線壓力的頻繁變化，提升了設備工作的穩定性，設備停機、損壞的概率大幅降低。控制閥的啟閉決定了循環水的輸流過程，以管道中循環水的壓力和空氣壓縮產生的驅動力換向，簡化了控制方式，降低了控制成本，節約了反沖洗過程的設備調節時間[3]。

如圖3所示為新型反沖洗閥的結構簡圖，主要由閥體、控制腔（控制反沖洗啟閉）、閥芯以及其他附件組成[3]。此新型反沖閥通過內部壓強的變化來引導閥桿移動，變化閥芯的位置。閥內壓強從小到大的變化，閥桿下移并帶動閥芯變化，此時反沖洗排污口逐漸關閉，而反沖洗閥的進水口和出水口完全打開，系統處于過濾模式。閥內壓強從大到小的變化，閥桿上移并帶動閥芯變化，反沖閥腔體分界處與進水口完全密封，而反沖洗排污口與出水口連通，此時，壓強的變化是出水口高于反沖洗排污口，循環水被反壓于反排污口，系統處于反沖洗模式[3]。

圖3 兩位三通反沖洗閥結構簡圖

4 技術突破

針對此問題展開討論，在不過度增加維修成本情況下，針對車間各水冷設備增加反沖洗閥門（擇機增加）。目前，已經完成對焦爐氣壓縮1～4級水冷器、制氫三分前水冷器、富氧及二合一機組1～5段水冷器、冰機水冷器、合成水冷器及各機組油冷卻器等設備累計增加40余臺反沖洗閥，通過反沖洗閥壓強變化實現供水和反沖洗兩狀態變化，實現了設備在線反沖洗。

循環水系統的異常以水質變化為主要指標，通常情況下，微生物的滋生引發循環水發出腥臭味，水濁度上升顏色變化。氨合成的效果因此大打折扣，考慮到以上指標不易檢測，而溫度的觀察檢測則更方便，通過檢測溫度變化使檢測氨合成的效果明顯且操作流程固化[4]。

5 固定設備反沖洗閥選位及控制

固定設備反沖光閥選改及控制如圖4所示。①反沖洗閥加裝于設備循環水入口閥后，選擇合適位置加三通或開孔加倒排閥（反沖洗閥）；②盡量靠近設備本體安裝；③閥門選擇不得小于管道通徑的1/2；④優先選擇密封性較高的閘閥或截止閥。

圖4 固定設備反沖洗閥選位及控制圖

6 設備反沖洗操作法

1）情況判定：非設備結構問題導致溫度升高，可以進行反沖洗操作。

2）配合操作：結合調度、中控室、循環水崗位及其他用水崗位，密切注意循環水壓力波動及出口溫度變化。

3）現場倒閥：關閉循環水入口閥，關閉循環水出口閥，打開倒排閥，排凈設備內部水后，迅速打開循環水回水閥，利用回水與設備內部高壓差，迅速沖洗設備列管壁附著物及鍋底沉淀物（臥式設備則沖洗列管及兩端封頭），此過程要迅速開關，以免流速低不能沖洗干凈設備。

4）效果判斷：觀察水質變化，一般倒排水會出現由清澈、渾濁、再清澈三種變化，中間過程伴隨雜物及其他雜質排出。

5）時間控制：根據水冷器大小及在線工藝波動等情況而定，一般維持3～5min，便可反沖洗完成。

6）閥門恢復：關閉倒排閥，緩慢打開循環水入口閥門，并打開高點排氣閥排氣，打開循環水回水閥，設備并入系統并匯報。

7）效果觀察：投入系統，運行后對比前后溫差變化，如存在效果但效果不理想現象，可以間斷性重復以上操作2～3次，直至倒排水質徹底清澈。

7 數據說明

圖5為制氫三分終冷卻器水冷出口氣溫度經反沖洗作用下的趨勢圖，在反沖洗作用下，出口段變換氣溫度由最低的38.4℃在一段時間內顯著增長至45.6℃，而后在10min內下降至34.2℃。此后，在近120min后溫度緩慢地由34.2℃下降至33.4℃。由此可見，水冷出口氣溫度經過反沖洗短時間內下降，達到實驗目的。

圖5 合成水冷器單次反沖洗數據及趨勢

圖6為制氫三分終冷卻器出工段經兩次反沖洗下變換氣的溫度趨勢圖，可以清楚地看到在第一次反沖洗下，出口段變換氣溫度由最初的39.8℃在短時間內曾顯著增長而后迅速下降，同樣在進行第二次反沖洗后溫度同樣呈現相同趨勢。在第二次反沖洗完畢后，出口段變換氣溫度開始逐步下降至反沖洗前水平，而后在大約99min后溫度下降至歷史最低的35.9℃。

圖6 制氫三分終冷器兩次反沖洗數據及趨勢變化

8 注意事項

1）涉及聯鎖點位慎重進行。

2）相關崗位密切注意參數變化。

3）倒閥順序要正確。

4）溫度過高介質工藝不得進行。

5）時間控制要合理。

6）多設備沖洗要交叉進行。

9 結語

目前國家力求2030年達到碳峰值，2060年前實現碳中和。為了實現低碳環保的國家政策，面對氨工業的大量能量消耗，所需要做的就是解決好循環水的利用項目。合成水冷器溫度上漲及超標影響氨合成的效率，因此首要任務就是要最大限度地降低循環水系統對合成氨生產的影響。此外，對于換熱器設備換熱效果漸下降的問題，基本選擇采取增大藥劑投用量、增加備用換熱設備或停工的方法對設備進行清洗來控制。這些方法被動且較大地增加了設備維修頻率及制造成本控制的難度。另外，循環水長時間的循環使用會導致腐蝕產物和微生物大量積累滋生，循環水的優劣與此息息相關，這會影響到設備的效率和壽命。換熱器設備長時間處于溫度過高的狀態也會影響到合成氨設備的運行效率和壽命。鄆城旭陽創新地在合成氨裝置中增加反沖閥，有效地控制了循環水系統現有存在的問題，改善了換熱效果，提高了合成氨的效率。在以后的生產中提出以下建議。

1）加大對水質的監測力度，一方面定期殺菌，抑制微生物的大量繁殖，如發現循環水出現數據或有顏色、氣味大幅變化需及時尋找原因，避免循環水水質進一步惡化；另一方面，為了盡可能延長換熱器的使用壽命，考慮到成本問題，適當增加或減少反沖閥以達到最優效果。

2）對于已經老化換熱效果不佳的換熱設備，先期進行維修，并對設備定期涂覆防腐蝕涂料。此外，如果經濟條件允許，將設備換成更耐腐蝕的碳鋼設備[5]。