主换热器热端温差过大的原因和处理

5 ]  Z" ~6 l* l- k* d" v- j! z" [! G1 　主换热器热端温差偏大现象
9 S5 e% q! g- V5 j. h* G! A! k某6500m3 / h 空分设备采用分子筛吸附净化、
% P4 }8 p8 h2 T. K7 T增压透平膨胀机及全精馏无氢制氩外压缩流程, 主
- K8 f1 u8 w7 J8 H7 ?换热器为分体式, 有1 台氧换热器、1 台氮换热器
和1 台污氮换热器组成, 其流程如图1 所示。
热端温差可利用正流空气阀V1、V2 和V3 来
; N+ i/ I( ]  r7 J- a0 Q& w进行调节。增压空气出主换热器只有1 个抽口, 进
' u6 s6 V5 v# I: Y/ w膨胀机的空气温度由3 台主换热器中抽空气的混合
温度决定, 各换热器的增压空气量不设调节手段。
因只有1 个抽口, 进膨胀机空气温度亦无法调节。
此种增压空气只有1 个抽口、不带中抽温度调
节的主换热器, 因对设计要求较高, 尽管国外采用
* C! D) k; C1 ?3 }( l# T较多, 而国内较少采用。从换热角度考虑, 取消增
压空气下抽口后, 只要抽口位置设计合理, 可以满
足6500m3 / h 空分设备的启动和正常运行, 且可适
* `3 [. d+ m1 U( |当提高增压通道下部的利用率, 有利于换热。但这
, t* U, {/ c* b4 B种主换热器不适宜用在较小规模和对液体产品需求
变化较大的空分设备。从操作和调节方面考虑, 增
) @  G0 P+ ?. _/ `2 z; x压空气还是采取两抽口为宜。
笔者公司也只设计了两种规格的此类主换热
器, 一种用在了2 套6500m3 / h 空分设备上, 另一
种用在了1 套6000m3 / h 空分设备上, 实际运行亦
都达到了设计要求。但后来设计制造的所有空分设
备都采用了增压空气两抽口设计。
5 q. I' D" t# D  f$ s: [' W" d6500m3 / h 空分设备开车运行后, 主换热器热
0 W1 `1 n7 b4 u3 M' i# U) K+ k端温差一直偏大。返流气和正流空气温差达414 ℃
～5 ℃, 而其设计值为3 ℃。
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图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
0 t4 @5 [) W6 V' t2 　原因分析
造成主换热器温差偏大的原因可能有3 个:
% c7 A% Y( k; s# Z" }/ b8 u/ Z(1) 没有膨胀机进口空气温度调节, 且主换热
. H) n6 ]- `5 p9 c2 c) D( h+ x器中间抽口位置设计不合理。之前采用的主换热器
增压空气抽口都有上、下两个, 进膨胀机温度可根
据需要在一定范围内调节, 还从未采用过这种不带
! K/ o8 h( b! c- G6 a温度调节的主换热器。
(2) 换热器设计余量不足。因为通过计算发
! f% x4 o9 |$ B( `) Y现, 以前主换热器所留设计余量普遍偏大, 故此主
) t# a- M7 `7 T. ~  T' f换热器设计时作了适当的减小, 尽管理论上亦留了
* r6 S' m9 p' J. d2 t$ h足够的余量, 但与以前同规格主换热器相比偏小。
$ r% B( z1 q2 l: U+ L' \(3) 操作时工艺参数调节不当。
8 N) k7 I; d" {- N# s根据现场实际操作记录: 增压空气进主换热器
温度比正流空气进主换热器温度低718 ℃。因此主
) b; k9 E* Z6 E4 f6 A换热器热端温差偏大的原因非常明确: 由于操作人
- U/ v( g3 ~2 }4 T- Z8 X. g, j员主观认为只要是热流体, 其进主换热器的温度就
, b* H: q- L, x越低越好, 未对空气预冷系统进行优化调整, 导致
主换热器热端发生温度交叉, 使热端温差变大。需
: P% N: V7 K9 h$ `5 m( j) F- g要指出的是, 此时反映的热端温差也不是真正意义
& b7 {! ~8 W3 v  B上的热端温差, 真正意义上的热端温差指的是返流
气和正流气(含正流空气和正流增压空气) 的平均
2 W& g; a; p1 S' Q* {, n; d* J$ ?温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
% X! Z  j  n5 V略小一些。
4 X* z0 ?/ q. g, R产生这些现象的原因很简单, 在主换热器热端
, |: L; \  V( H- P的某一断面, 返流气的温度和增压空气的温度相
等, 而过了这一断面, 返流气不再被增压空气加
- E4 y! K6 w+ ^6 ~, G* l热, 反而被其冷却。这样返流气一方面受到比它温
/ v' V" N& @' S! O度高的正流空气的加热, 另一方面又受到比它温度
1 p# n% o" h5 M% i低的正流增压空气的冷却, 换热面积得不到充分利
用, 造成热端温差加大, 增加了不可逆损失。此时
增压空气所占比例越大, 增压空气和正流空气温差
' Y8 B: J( p3 O7 ~- S8 V( W; q) W' c越大, 对主换热器热端温差的影响也就越大。
3 　解决方法及效果
! l$ s  B/ Z7 v  E$ b1 P; S1 I对空气预冷系统工况进行优化调整, 通过调节
阀V10、V11、V12、V13、V14 和V15 , 减小去增
压机后冷却器的冷冻水流量, 增大去空冷塔的冷冻
7 u+ m. i- a2 B, x9 d水流量, 适当调节冷冻水回水冷塔流量, 保证冷水
机组在设计工况下运转。从而使正流空气进主换热
器温度降低, 增压空气进主换热器温度升高, 两者
趋于一致, 避免主换热器热端的温度交叉, 使换热
$ _' _& I: R+ _& ~( P面积得到充分利用, 从而有效缩小主换热器的热端
. s3 z% {$ y& I/ G! S; c6 C( t  f温差。但应控制增压空气进主换热器温度不能低于
正流空气的进口温度, 否则将产生温度交叉, 使部
/ ]8 f$ w/ C% B/ d分传热面积失去传热作用。调整后主换热器热端温
) t4 ?+ R8 C' H) x: p差缩小至3 ℃以内。
5 X, z( B7 w9 o1 [3 R( f4 　结束语
3 ~; R, s4 x$ l( B1 O2 [# r产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
/ n, w$ B3 f7 B+ a4 k5 B然而却有很多新用户的空分设备普遍存在这种情况。
大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬
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