设备增加循环水反冲洗阀对合成氨生产的影响与作用

王 涛，刘 琨，崔立波

（1.山东洪达化工有限公司，菏泽郓城 274700；2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃兰州 730060）

1 化工生产现状

化工生产中循环水系统必不可少，目的通常是为了带走工艺循环中的废热，循环水是化工生产重要的换热载体，是化工企业的血液。循环水有循环量大、新鲜水量消耗高、结垢和腐蚀风险高等特点[1]。一般由吸水井、水泵、进出口管道、沉降池、过滤器、凉水塔及各类换热设备构件组成。其主要作用是对工艺介质温度及非工艺介质或设备的冷却，其目的是对水的重复使用，节约水资源，提高水的利用率。循环水系统分为密闭式循环水系统和敞开式循环水系统两大类，而化工企业多采用敞开式循环水系统服务于化工生产。

采用敞开式循环水系统，有利有弊。利，在于实现了对冷却水的高度重复利用，节约水资源。弊，在于循环过程中，设备结构和多种材料共同的作用，会导致水的蒸发浓缩和空气中杂物的引入，循环水的水质便会慢慢恶化，原水及补水中微生物的存在，也同样威胁和影响着循环水系统安全稳定运行，系统一般采用过滤、加药、补水置换等方式控制和稳定循环水水质。尽管在水质控制上有以上三种措施，但从实际生产过程及设备检维修现场来看，循环水携带部分物质在设备内的沉淀、附着依然存在，且严重影响设备换热效率，无形中增加水、电消耗，拉高制造成本。

在生产连续性较强的生产工艺中，面对逐渐下降的换热效果，基本选择增大药剂投用量、增加备用换热设备或停工对设备进行清洗等方法进行控制。这些方法被动且增加了设备维修频率及制造成本控制难度。

2 郓城旭阳合成氨装置面临问题

郓城旭阳合成氨各装置均面临以上问题，不但循环水浊度和微生物黏泥含量高且伴随季节交替变化，尤其是春夏季节，问题表现较为明显，设备换热效率下降，直接影响装置生产[2]。

循环水与冷却塔内部的工业大气反复接触，工业大气中的尘埃落入循环水形成悬浮物，冷却水系统中生成的腐蚀产物和微生物繁衍生成的黏泥同样形成悬浮物。随着循环程序持续进行，循环水不断蒸发浓缩，水中悬浮物和浊度不断升高。其中，焦炉气压缩机各级水冷器、制氢水冷器、富氧及二合一机组各段水冷器、合成水冷器、空压机水冷器及其他设备表现尤为明显，均表现出设备或工艺温度上涨及超标现象。考虑成本问题，分析增加循环水反冲洗阀对合成氨生产的影响与作用。

3 反冲洗阀

反冲洗阀是一种专用的水力控制阀门，依靠管线系统压力驱动，实现自动反冲洗。相比于传统的开式循环水系统，反冲洗阀利用压差实现对循环水的反冲洗，在一定程度上实现了对循环水的高效利用，节约了水资源。维持循环水水质，工业上一般采取过滤、加药、补水置换等方式，但是从实际运行效果上来看，这三种配合措施取得的效果并不是很理想，原水中由于水的蒸发浓缩、空气杂质引入、微生物繁殖，循环水的水质受到影响；另外，循环水携带的部分不溶物的沉淀长期影响设备换热效率，随着时间推移会对设备造成堵塞，增加运行成本。对设备进行改进，使用反冲阀对循环水进行反冲洗操作，利用物理的方式减少了能源消耗，也到达了优化工业生产的目的。

3.1 传统四阀门组合控制反冲洗阀

传统的反冲洗设备往往采用四阀门组合控制的结构，如图1所示。

图1 传统四阀门组合控制的反冲洗阀

过滤模式：出水通路的两个阀门打开，反冲洗通路的两个阀门关闭。

图1中反冲阀处于过滤模式。此时，出水通路的两个阀门打开，反冲洗通路的排污口和反向出水口两阀门关闭，水流进入过滤装置，系统整体处于过滤阶段[3]。

反冲洗模式：出水通路的两个阀门关闭，反冲洗通路的两个阀门打开。

图2中反冲阀系统实现反冲洗。此时，出水通路的两个阀门关闭，反冲洗通路的排污口和反向出水口两阀门打开，水流反向进入过滤装置，逐步从排污口排出循环水实现反冲洗，系统整体处于反冲洗阶段[3]。传统四阀门组合控制反冲阀通过调节不同位置的阀门实现不同的工作状态，阀门的启闭会造成过大的流量系数脉动，产生漩涡、汽蚀、能量损失，长时间会对反冲阀产生一定磨损，另外也会腐蚀管线[3]。

图2 传统四阀门组合控制的反冲洗阀

3.2 隔膜两位三通反冲洗阀

从结构上来看，相比传统的四阀门组合控制的反冲阀，此型冲洗阀创新地将出水管路和反冲洗排污管路整合在一起，管线减少所需要使用控制阀也减少，单个管路只需要控制单个控制阀门即可以实现对系统的控制，简化了反冲阀的结构，减少了阀门启闭时所产生的流量系数脉动；另外，阀门的减少，提高了设备的可操作性，减少了操作时间提升了冲洗效率；管线的优化，减少了流量、管线压力的频繁变化，提升了设备工作的稳定性，设备停机、损坏的概率大幅降低。控制阀的启闭决定了循环水的输流过程，以管道中循环水的压力和空气压缩产生的驱动力换向，简化了控制方式，降低了控制成本，节约了反冲洗过程的设备调节时间[3]。

如图3所示为新型反冲洗阀的结构简图，主要由阀体、控制腔（控制反冲洗启闭）、阀芯以及其他附件组成[3]。此新型反冲阀通过内部压强的变化来引导阀杆移动，变化阀芯的位置。阀内压强从小到大的变化，阀杆下移并带动阀芯变化，此时反冲洗排污口逐渐关闭，而反冲洗阀的进水口和出水口完全打开，系统处于过滤模式。阀内压强从大到小的变化，阀杆上移并带动阀芯变化，反冲阀腔体分界处与进水口完全密封，而反冲洗排污口与出水口连通，此时，压强的变化是出水口高于反冲洗排污口，循环水被反压于反排污口，系统处于反冲洗模式[3]。

图3 两位三通反冲洗阀结构简图

4 技术突破

针对此问题展开讨论，在不过度增加维修成本情况下，针对车间各水冷设备增加反冲洗阀门（择机增加）。目前，已经完成对焦炉气压缩1～4级水冷器、制氢三分前水冷器、富氧及二合一机组1～5段水冷器、冰机水冷器、合成水冷器及各机组油冷却器等设备累计增加40余台反冲洗阀，通过反冲洗阀压强变化实现供水和反冲洗两状态变化，实现了设备在线反冲洗。

循环水系统的异常以水质变化为主要指标，通常情况下，微生物的滋生引发循环水发出腥臭味，水浊度上升颜色变化。氨合成的效果因此大打折扣，考虑到以上指标不易检测，而温度的观察检测则更方便，通过检测温度变化使检测氨合成的效果明显且操作流程固化[4]。

5 固定设备反冲洗阀选位及控制

固定设备反冲光阀选改及控制如图4所示。①反冲洗阀加装于设备循环水入口阀后，选择合适位置加三通或开孔加倒排阀（反冲洗阀）；②尽量靠近设备本体安装；③阀门选择不得小于管道通径的1/2；④优先选择密封性较高的闸阀或截止阀。

图4 固定设备反冲洗阀选位及控制图

6 设备反冲洗操作法

1）情况判定：非设备结构问题导致温度升高，可以进行反冲洗操作。

2）配合操作：结合调度、中控室、循环水岗位及其他用水岗位，密切注意循环水压力波动及出口温度变化。

3）现场倒阀：关闭循环水入口阀，关闭循环水出口阀，打开倒排阀，排净设备内部水后，迅速打开循环水回水阀，利用回水与设备内部高压差，迅速冲洗设备列管壁附着物及锅底沉淀物（卧式设备则冲洗列管及两端封头），此过程要迅速开关，以免流速低不能冲洗干净设备。

4）效果判断：观察水质变化，一般倒排水会出现由清澈、浑浊、再清澈三种变化，中间过程伴随杂物及其他杂质排出。

5）时间控制：根据水冷器大小及在线工艺波动等情况而定，一般维持3～5min，便可反冲洗完成。

6）阀门恢复：关闭倒排阀，缓慢打开循环水入口阀门，并打开高点排气阀排气，打开循环水回水阀，设备并入系统并汇报。

7）效果观察：投入系统，运行后对比前后温差变化，如存在效果但效果不理想现象，可以间断性重复以上操作2～3次，直至倒排水质彻底清澈。

7 数据说明

图5为制氢三分终冷却器水冷出口气温度经反冲洗作用下的趋势图，在反冲洗作用下，出口段变换气温度由最低的38.4℃在一段时间内显著增长至45.6℃，而后在10min内下降至34.2℃。此后，在近120min后温度缓慢地由34.2℃下降至33.4℃。由此可见，水冷出口气温度经过反冲洗短时间内下降，达到实验目的。

图5 合成水冷器单次反冲洗数据及趋势

图6为制氢三分终冷却器出工段经两次反冲洗下变换气的温度趋势图，可以清楚地看到在第一次反冲洗下，出口段变换气温度由最初的39.8℃在短时间内曾显著增长而后迅速下降，同样在进行第二次反冲洗后温度同样呈现相同趋势。在第二次反冲洗完毕后，出口段变换气温度开始逐步下降至反冲洗前水平，而后在大约99min后温度下降至历史最低的35.9℃。

图6 制氢三分终冷器两次反冲洗数据及趋势变化

8 注意事项

1）涉及联锁点位慎重进行。

2）相关岗位密切注意参数变化。

3）倒阀顺序要正确。

4）温度过高介质工艺不得进行。

5）时间控制要合理。

6）多设备冲洗要交叉进行。

9 结语

目前国家力求2030年达到碳峰值，2060年前实现碳中和。为了实现低碳环保的国家政策，面对氨工业的大量能量消耗，所需要做的就是解决好循环水的利用项目。合成水冷器温度上涨及超标影响氨合成的效率，因此首要任务就是要最大限度地降低循环水系统对合成氨生产的影响。此外，对于换热器设备换热效果渐下降的问题，基本选择采取增大药剂投用量、增加备用换热设备或停工的方法对设备进行清洗来控制。这些方法被动且较大地增加了设备维修频率及制造成本控制的难度。另外，循环水长时间的循环使用会导致腐蚀产物和微生物大量积累滋生，循环水的优劣与此息息相关，这会影响到设备的效率和寿命。换热器设备长时间处于温度过高的状态也会影响到合成氨设备的运行效率和寿命。郓城旭阳创新地在合成氨装置中增加反冲阀，有效地控制了循环水系统现有存在的问题，改善了换热效果，提高了合成氨的效率。在以后的生产中提出以下建议。

1）加大对水质的监测力度，一方面定期杀菌，抑制微生物的大量繁殖，如发现循环水出现数据或有颜色、气味大幅变化需及时寻找原因，避免循环水水质进一步恶化；另一方面，为了尽可能延长换热器的使用寿命，考虑到成本问题，适当增加或减少反冲阀以达到最优效果。

2）对于已经老化换热效果不佳的换热设备，先期进行维修，并对设备定期涂覆防腐蚀涂料。此外，如果经济条件允许，将设备换成更耐腐蚀的碳钢设备[5]。