空分装置水冷塔溢流管虹吸现象及其处理措施

梁 栋

(阳煤集团寿阳化工有限责任公司，山西 寿阳 045400)

1 空分装置水冷塔作用

空分装置水冷塔是一种混合式换热器，它可以将从冷箱内出来的干燥的N2和循环水进行换热，从而使得循环水温度进一步降低形成冷冻水。通过冷冻水泵将冷冻水从水冷塔抽出打入空冷塔上部，与空气进行进一步换热，使空气温度进一步降低，从而减小纯化系统的负荷，保证空分运行的稳定。

2 水冷塔溢流管布置及其作用

1) 水冷塔溢流管的位置。水冷塔换热介质水从上而下，污氮气从下往上，二者在填料中充分接触换热。水冷塔的填料下端有污氮气管道和溢流管，其中溢流管在污氮气管道下方，如图1所示。

2) 水冷塔溢流管的作用。从冷箱内出来的污氮气(氮气)压力低于循环水压力，水冷塔溢流管就是为了防止水冷塔液位过高导致循环水进入冷箱换热器内，从而使换热器通道发生冻堵，影响空分正常安全运行。

3 水冷塔液位的重要性和调节方式

1) 水冷塔液位的重要性。水冷塔是空分预冷系统的重要组成部分，它的液位正常是冷冻水充足的保证。维持水冷塔液位的正常，间接的保证了空冷塔出口温度的稳定，从而对后续系统的负荷、稳定以及使用寿命起到了积极的作用。

2) 水冷塔的液位调节。水冷塔进水从循环水总管通过阀门直接进入水冷塔，水冷塔出口与泵连接，通过泵进入空冷塔上部。正常运行中，液位与进口阀门联锁实现自调节，保证液位的稳定。停车需要排液的情况下，水冷塔的液位可通过塔底的手动排液阀直接排入地沟。正常运行中，水冷塔液位低会触发联锁停泵信号，导致冷冻水泵停止运行。

图1 水冷塔管道布置简图

4 水冷塔虹吸现象及其产生的原因

虹吸(syphonage)是利用液面高度差的作用力现象，将液体充满一根倒U形的管状结构内后，将开口高的一端置于装满液体的容器中，容器内的液体会持续通过虹吸管向更低的位置流出。原理如图2所示。

图2 虹吸原理简图

虹吸的实质是因为液体压强和大气压强而产生。因为h1p2-ρgh2，那么在A左端的压强就大于A右端的的压强，在大气压和液体压强的共同作用下，水朝一个方向移动。

水冷塔液位虹吸产生的原因。正常运行中，阀门随着液位的高低自动调节，幅度较小，不容易产生虹吸现象。在水冷塔排液的检修作业后，水冷塔补液的时候部分操作人员常使用自动补液进行补液作业。由于此时的液位落差比较大，自动调节会使阀门在补液初期处于开全状态，到达需要液位的时候，阀门在自动调节的作用下逐渐关小，但是由于PID控制的滞后性，阀门不能直接关到底，导致液位继续上涨，直至液位淹没溢流管口，进而导致虹吸的产生。随着虹吸现象的发生，液位迅速降低，原本正在关小的阀门继续开全补液，从而使虹吸现象持续时间增加。

5 水冷塔溢流管虹吸现象不处理的后果

水冷塔溢流管虹吸现象发生后，如果不进行处理，将会对系统的运行造成不良的影响。

首先，水冷塔自身的液位无法得到保障，如果不及时进行人工干预，手动解除液位自动调节，那么，虹吸现象会重复往返地发生且不会终止，会导致水冷塔液位异常长时间发生，延长全厂系统的开车时间。这一点极容易在检修后的开车过程中出现，当中控操作工同时进行补液和其他开车确认操作过程的时候，容易造成忽视这一问题从而导致事故的发生。

其次，水冷塔的作用决定其本身容量，当虹吸现象发生时，液位最高值往往远远超过正常值，水冷塔内的储水量也远远高于正常需要，而每一次的虹吸现象都会导致全塔的水从地沟或者其他途径排出，反复的虹吸将会造成大量的循环水被浪费。

第三，水冷塔溢流管的虹吸现象是液位过高引发的，当溢流管无法及时将液位迅速降低时会导致液位过高，而溢流管的位置在污氮气(氮气)入口下方，如果液位高过污氮气(氮气)入口，循环水可能通过污氮气(氮气)管道进入冷箱内部，会导致冷箱冻堵，严重时会造成设备的严重损坏。

6 水冷塔溢流管虹吸现象的解决方法

液位自动调节，当液位低时，阀门开度较大，在设定达到设定值的时候，阀门开始关小，在阀门关小的过程中液位还会继续上涨，直至超过溢流口，当液位涨到一定程度，溢流管内部充满液体，发生虹吸现象。

发生虹吸现象后，有两种解决方式。方法一如下。

1) 从附近软管站工厂空气口接一根长度合适的软管；

2) 将软管的另一头接入溢流管的排气口；

3) 中控操作人员接触水冷塔上水阀门和液位的自调节；

4) 中控操作人员将手动将水冷塔上水阀门关死；

5) 打开工厂空气阀门，同时通知中控岗位注意工厂空气压力；

6) 现场操作人员观察溢流管出口是否有水排出来判断虹吸是否解除；

7) 虹吸现象解除后，中控操作人员与现场操作人员确认液位后，将缺少的液位补齐。

该方法优点是节省水资源，缺点是操作繁琐，具体如下。

1) 水冷塔内液位不一定会全部排完；

2) 一般现场软管站未配套合适的软管，得到现场库房去找软管；

3) 溢流管的排气管口高度一般超过两米，接管的话涉及特殊作；业登高作业，程序上需要办理票证并审批；

4) 该方法涉及到工厂空气公用工程；

5) 该方法最后仍然得人工手动补充液位。

方法二：

1) 中控人员解除水冷塔液位自动调节，并手动将水冷塔上水阀关闭；

2) 现场操作人员观察水冷塔溢流管无排水后，通知中控人员；

3) 中控操作人员确认虹吸现象解除后重新手动补水；

4) 当液位上升至合适位置时，关闭水冷塔上水阀。

该方法优点是操作简单，缺点是一定程度上浪费循环水，具体如下。

1) 水冷塔内液位会降到最低；

2) 操作不涉及特殊作业的审批。

第一种方法受限制因素颇多，首先水冷塔附近要有合适方便的空气源，其次由于水冷塔溢流管上方的排气口位置较高，故而通气操作设计到登高作业，而登高作业属于特殊作业，需要审批，流程繁琐，不能及时消除虹吸现象。结合现场实际情况，在准备阶段有可能虹吸现象会造成水冷塔液位排到最低点。

第二种方法，现场人员确认虹吸现象发生后，总控人员解除液位自调节，同时关闭水冷塔补水进口阀，待液位降到最低时溢流管两端的压力持平，现场操作人员确认溢流口无水排出，且其上方排气口不再往内部吸入空气，虹吸现象解除。为了避免虹吸的反复出现，总控人员手动调节阀门，重新补液，直至液位达到要求，关闭阀门，此时可重新投入液位自调节模式。

总体来说，方法二比方法一更切合实际操作需要，因此在发生水冷塔溢流管虹吸现象以后，宜采用第二种方法进行处置。

7 结语

水冷塔溢流管的虹吸现象多为人员操作失误造成，且发生在日常检修过程中。操作人员应当精心操作，明确事故原因，避免因粗心导致的失误，从而造成事故的发生，要从根本上来杜绝事故。同时，操作人员应该熟练掌握正确的操作方法，做到遇到事故不紧张，从容面对，可以有效遏制事故造成的不利影响，让事故的不利影响降到最低。