設(shè)備增加循環(huán)水反沖洗閥對(duì)合成氨生產(chǎn)的影響與作用

王 濤，劉 琨，崔立波

（1.山東洪達(dá)化工有限公司，菏澤鄆城 274700；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州 730060）

1 化工生產(chǎn)現(xiàn)狀

化工生產(chǎn)中循環(huán)水系統(tǒng)必不可少，目的通常是為了帶走工藝循環(huán)中的廢熱，循環(huán)水是化工生產(chǎn)重要的換熱載體，是化工企業(yè)的血液。循環(huán)水有循環(huán)量大、新鮮水量消耗高、結(jié)垢和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)[1]。一般由吸水井、水泵、進(jìn)出口管道、沉降池、過濾器、涼水塔及各類換熱設(shè)備構(gòu)件組成。其主要作用是對(duì)工藝介質(zhì)溫度及非工藝介質(zhì)或設(shè)備的冷卻，其目的是對(duì)水的重復(fù)使用，節(jié)約水資源，提高水的利用率。循環(huán)水系統(tǒng)分為密閉式循環(huán)水系統(tǒng)和敞開式循環(huán)水系統(tǒng)兩大類，而化工企業(yè)多采用敞開式循環(huán)水系統(tǒng)服務(wù)于化工生產(chǎn)。

采用敞開式循環(huán)水系統(tǒng)，有利有弊。利，在于實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷卻水的高度重復(fù)利用，節(jié)約水資源。弊，在于循環(huán)過程中，設(shè)備結(jié)構(gòu)和多種材料共同的作用，會(huì)導(dǎo)致水的蒸發(fā)濃縮和空氣中雜物的引入，循環(huán)水的水質(zhì)便會(huì)慢慢惡化，原水及補(bǔ)水中微生物的存在，也同樣威脅和影響著循環(huán)水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)一般采用過濾、加藥、補(bǔ)水置換等方式控制和穩(wěn)定循環(huán)水水質(zhì)。盡管在水質(zhì)控制上有以上三種措施，但從實(shí)際生產(chǎn)過程及設(shè)備檢維修現(xiàn)場(chǎng)來看，循環(huán)水?dāng)y帶部分物質(zhì)在設(shè)備內(nèi)的沉淀、附著依然存在，且嚴(yán)重影響設(shè)備換熱效率，無形中增加水、電消耗，拉高制造成本。

在生產(chǎn)連續(xù)性較強(qiáng)的生產(chǎn)工藝中，面對(duì)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(shè)備或停工對(duì)設(shè)備進(jìn)行清洗等方法進(jìn)行控制。這些方法被動(dòng)且增加了設(shè)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(huán)水濁度和微生物黏泥含量高且伴隨季節(jié)交替變化，尤其是春夏季節(jié)，問題表現(xiàn)較為明顯，設(shè)備換熱效率下降，直接影響裝置生產(chǎn)[2]。

循環(huán)水與冷卻塔內(nèi)部的工業(yè)大氣反復(fù)接觸，工業(yè)大氣中的塵埃落入循環(huán)水形成懸浮物，冷卻水系統(tǒng)中生成的腐蝕產(chǎn)物和微生物繁衍生成的黏泥同樣形成懸浮物。隨著循環(huán)程序持續(xù)進(jìn)行，循環(huán)水不斷蒸發(fā)濃縮，水中懸浮物和濁度不斷升高。其中，焦?fàn)t氣壓縮機(jī)各級(jí)水冷器、制氫水冷器、富氧及二合一機(jī)組各段水冷器、合成水冷器、空壓機(jī)水冷器及其他設(shè)備表現(xiàn)尤為明顯，均表現(xiàn)出設(shè)備或工藝溫度上漲及超標(biāo)現(xiàn)象。考慮成本問題，分析增加循環(huán)水反沖洗閥對(duì)合成氨生產(chǎn)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(tǒng)壓力驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反沖洗。相比于傳統(tǒng)的開式循環(huán)水系統(tǒng)，反沖洗閥利用壓差實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)水的反沖洗，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)循環(huán)水的高效利用，節(jié)約了水資源。維持循環(huán)水水質(zhì)，工業(yè)上一般采取過濾、加藥、補(bǔ)水置換等方式，但是從實(shí)際運(yùn)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(fā)濃縮、空氣雜質(zhì)引入、微生物繁殖，循環(huán)水的水質(zhì)受到影響；另外，循環(huán)水?dāng)y帶的部分不溶物的沉淀長(zhǎng)期影響設(shè)備換熱效率，隨著時(shí)間推移會(huì)對(duì)設(shè)備造成堵塞，增加運(yùn)行成本。對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，使用反沖閥對(duì)循環(huán)水進(jìn)行反沖洗操作，利用物理的方式減少了能源消耗，也到達(dá)了優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)的目的。

3.1 傳統(tǒng)四閥門組合控制反沖洗閥

傳統(tǒng)的反沖洗設(shè)備往往采用四閥門組合控制的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)四閥門組合控制的反沖洗閥

過濾模式：出水通路的兩個(gè)閥門打開，反沖洗通路的兩個(gè)閥門關(guān)閉。

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

反沖洗模式：出水通路的兩個(gè)閥門關(guān)閉，反沖洗通路的兩個(gè)閥門打開。

圖2中反沖閥系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反沖洗。此時(shí)，出水通路的兩個(gè)閥門關(guān)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(jìn)入過濾裝置，逐步從排污口排出循環(huán)水實(shí)現(xiàn)反沖洗，系統(tǒng)整體處于反沖洗階段[3]。傳統(tǒng)四閥門組合控制反沖閥通過調(diào)節(jié)不同位置的閥門實(shí)現(xiàn)不同的工作狀態(tài)，閥門的啟閉會(huì)造成過大的流量系數(shù)脈動(dòng)，產(chǎn)生漩渦、汽蝕、能量損失，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)對(duì)反沖閥產(chǎn)生一定磨損，另外也會(huì)腐蝕管線[3]。

圖2 傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)上來看，相比傳統(tǒng)的四閥門組合控制的反沖閥，此型沖洗閥創(chuàng)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(gè)管路只需要控制單個(gè)控制閥門即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，簡(jiǎn)化了反沖閥的結(jié)構(gòu)，減少了閥門啟閉時(shí)所產(chǎn)生的流量系數(shù)脈動(dòng)；另外，閥門的減少，提高了設(shè)備的可操作性，減少了操作時(shí)間提升了沖洗效率；管線的優(yōu)化，減少了流量、管線壓力的頻繁變化，提升了設(shè)備工作的穩(wěn)定性，設(shè)備停機(jī)、損壞的概率大幅降低?？刂崎y的啟閉決定了循環(huán)水的輸流過程，以管道中循環(huán)水的壓力和空氣壓縮產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力換向，簡(jiǎn)化了控制方式，降低了控制成本，節(jié)約了反沖洗過程的設(shè)備調(diào)節(jié)時(shí)間[3]。

如圖3所示為新型反沖洗閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(nèi)部壓強(qiáng)的變化來引導(dǎo)閥桿移動(dòng)，變化閥芯的位置。閥內(nèi)壓強(qiáng)從小到大的變化，閥桿下移并帶動(dòng)閥芯變化，此時(shí)反沖洗排污口逐漸關(guān)閉，而反沖洗閥的進(jìn)水口和出水口完全打開，系統(tǒng)處于過濾模式。閥內(nèi)壓強(qiáng)從大到小的變化，閥桿上移并帶動(dòng)閥芯變化，反沖閥腔體分界處與進(jìn)水口完全密封，而反沖洗排污口與出水口連通，此時(shí)，壓強(qiáng)的變化是出水口高于反沖洗排污口，循環(huán)水被反壓于反排污口，系統(tǒng)處于反沖洗模式[3]。

圖3 兩位三通反沖洗閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4 技術(shù)突破

針對(duì)此問題展開討論，在不過度增加維修成本情況下，針對(duì)車間各水冷設(shè)備增加反沖洗閥門（擇機(jī)增加）。目前，已經(jīng)完成對(duì)焦?fàn)t氣壓縮1～4級(jí)水冷器、制氫三分前水冷器、富氧及二合一機(jī)組1～5段水冷器、冰機(jī)水冷器、合成水冷器及各機(jī)組油冷卻器等設(shè)備累計(jì)增加40余臺(tái)反沖洗閥，通過反沖洗閥壓強(qiáng)變化實(shí)現(xiàn)供水和反沖洗兩狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備在線反沖洗。

循環(huán)水系統(tǒng)的異常以水質(zhì)變化為主要指標(biāo)，通常情況下，微生物的滋生引發(fā)循環(huán)水發(fā)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(biāo)不易檢測(cè)，而溫度的觀察檢測(cè)則更方便，通過檢測(cè)溫度變化使檢測(cè)氨合成的效果明顯且操作流程固化[4]。

5 固定設(shè)備反沖洗閥選位及控制

固定設(shè)備反沖光閥選改及控制如圖4所示。①反沖洗閥加裝于設(shè)備循環(huán)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(shè)備本體安裝；③閥門選擇不得小于管道通徑的1/2；④優(yōu)先選擇密封性較高的閘閥或截止閥。

圖4 固定設(shè)備反沖洗閥選位及控制圖

6 設(shè)備反沖洗操作法

1）情況判定：非設(shè)備結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致溫度升高，可以進(jìn)行反沖洗操作。

2）配合操作：結(jié)合調(diào)度、中控室、循環(huán)水崗位及其他用水崗位，密切注意循環(huán)水壓力波動(dòng)及出口溫度變化。

3）現(xiàn)場(chǎng)倒閥：關(guān)閉循環(huán)水入口閥，關(guān)閉循環(huán)水出口閥，打開倒排閥，排凈設(shè)備內(nèi)部水后，迅速打開循環(huán)水回水閥，利用回水與設(shè)備內(nèi)部高壓差，迅速?zèng)_洗設(shè)備列管壁附著物及鍋底沉淀物（臥式設(shè)備則沖洗列管及兩端封頭），此過程要迅速開關(guān)，以免流速低不能沖洗干凈設(shè)備。

4）效果判斷：觀察水質(zhì)變化，一般倒排水會(huì)出現(xiàn)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(zhì)排出。

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

6）閥門恢復(fù)：關(guān)閉倒排閥，緩慢打開循環(huán)水入口閥門，并打開高點(diǎn)排氣閥排氣，打開循環(huán)水回水閥，設(shè)備并入系統(tǒng)并匯報(bào)。

7）效果觀察：投入系統(tǒng)，運(yùn)行后對(duì)比前后溫差變化，如存在效果但效果不理想現(xiàn)象，可以間斷性重復(fù)以上操作2～3次，直至倒排水質(zhì)徹底清澈。

7 數(shù)據(jù)說明

圖5為制氫三分終冷卻器水冷出口氣溫度經(jīng)反沖洗作用下的趨勢(shì)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(shí)間內(nèi)顯著增長(zhǎng)至45.6℃，而后在10min內(nèi)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(jīng)過反沖洗短時(shí)間內(nèi)下降，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

圖5 合成水冷器單次反沖洗數(shù)據(jù)及趨勢(shì)

圖6為制氫三分終冷卻器出工段經(jīng)兩次反沖洗下變換氣的溫度趨勢(shì)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(shí)間內(nèi)曾顯著增長(zhǎng)而后迅速下降，同樣在進(jìn)行第二次反沖洗后溫度同樣呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。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(shù)據(jù)及趨勢(shì)變化

8 注意事項(xiàng)

1）涉及聯(lián)鎖點(diǎn)位慎重進(jìn)行。

2）相關(guān)崗位密切注意參數(shù)變化。

3）倒閥順序要正確。

4）溫度過高介質(zhì)工藝不得進(jìn)行。

5）時(shí)間控制要合理。

6）多設(shè)備沖洗要交叉進(jìn)行。

9 結(jié)語

目前國家力求2030年達(dá)到碳峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。為了實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保的國家政策，面對(duì)氨工業(yè)的大量能量消耗，所需要做的就是解決好循環(huán)水的利用項(xiàng)目。合成水冷器溫度上漲及超標(biāo)影響氨合成的效率，因此首要任務(wù)就是要最大限度地降低循環(huán)水系統(tǒng)對(duì)合成氨生產(chǎn)的影響。此外，對(duì)于換熱器設(shè)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(shè)備或停工的方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行清洗來控制。這些方法被動(dòng)且較大地增加了設(shè)備維修頻率及制造成本控制的難度。另外，循環(huán)水長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)使用會(huì)導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物和微生物大量積累滋生，循環(huán)水的優(yōu)劣與此息息相關(guān)，這會(huì)影響到設(shè)備的效率和壽命。換熱器設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處于溫度過高的狀態(tài)也會(huì)影響到合成氨設(shè)備的運(yùn)行效率和壽命。鄆城旭陽創(chuàng)新地在合成氨裝置中增加反沖閥，有效地控制了循環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)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(chǎn)中提出以下建議。

1）加大對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)力度，一方面定期殺菌，抑制微生物的大量繁殖，如發(fā)現(xiàn)循環(huán)水出現(xiàn)數(shù)據(jù)或有顏色、氣味大幅變化需及時(shí)尋找原因，避免循環(huán)水水質(zhì)進(jìn)一步惡化；另一方面，為了盡可能延長(zhǎng)換熱器的使用壽命，考慮到成本問題，適當(dāng)增加或減少反沖閥以達(dá)到最優(yōu)效果。

2）對(duì)于已經(jīng)老化換熱效果不佳的換熱設(shè)備，先期進(jìn)行維修，并對(duì)設(shè)備定期涂覆防腐蝕涂料。此外，如果經(jīng)濟(jì)條件允許，將設(shè)備換成更耐腐蝕的碳鋼設(shè)備[5]。