主换热器热端温差过大的原因和处理

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4 e$ Z) X2 J  p) @2 [% X% d1 　主换热器热端温差偏大现象
某6500m3 / h 空分设备采用分子筛吸附净化、
0 z- R: x" z1 K5 C增压透平膨胀机及全精馏无氢制氩外压缩流程, 主
4 c8 J& x- t" H. `% t+ X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
4 |4 ]( M; P/ p7 z进行调节。增压空气出主换热器只有1 个抽口, 进
膨胀机的空气温度由3 台主换热器中抽空气的混合
. E8 W8 F4 w) y5 n; R' D- A% }温度决定, 各换热器的增压空气量不设调节手段。
, h* s* G5 }& {( M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
+ z! @- H) a# U- f, w% N$ a. z; {2 q节的主换热器, 因对设计要求较高, 尽管国外采用
6 M/ A' T+ A4 U/ a$ {* [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
' @5 L) `- C8 T6 B足6500m3 / h 空分设备的启动和正常运行, 且可适
当提高增压通道下部的利用率, 有利于换热。但这
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
+ Q! H8 n4 u6 u+ ~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
3 i; p/ l7 U0 v2 H: f; J) M2 U& e/ i1 A  h种用在了1 套6000m3 / h 空分设备上, 实际运行亦
7 g4 N3 o, h) }7 O$ X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。
6500m3 / h 空分设备开车运行后, 主换热器热
- y4 t, d/ M4 t% c) G% I& E端温差一直偏大。返流气和正流空气温差达414 ℃
& T' [1 N1 G7 ?- O" ^～5 ℃, 而其设计值为3 ℃。
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图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
2 　原因分析
. z  @- X9 J) f, f6 Z- Y3 h. o9 ]9 K造成主换热器温差偏大的原因可能有3 个:
(1) 没有膨胀机进口空气温度调节, 且主换热
; w6 |! q& M. F器中间抽口位置设计不合理。之前采用的主换热器
( _4 T* L7 q3 H4 P* y$ D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
8 A. |9 j1 B4 q' t' `: z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
( _2 _. E- S# l9 m. D, O0 \, j4 L. a现, 以前主换热器所留设计余量普遍偏大, 故此主
* E5 l4 F1 C/ w0 g  t" }0 R换热器设计时作了适当的减小, 尽管理论上亦留了
足够的余量, 但与以前同规格主换热器相比偏小。
(3) 操作时工艺参数调节不当。
& X8 b' j2 L  t) q7 ]根据现场实际操作记录: 增压空气进主换热器
9 h% X. j/ b. F: N8 N( {温度比正流空气进主换热器温度低718 ℃。因此主
* L1 ]7 W% l; n& O6 r# _换热器热端温差偏大的原因非常明确: 由于操作人
4 s' x3 e4 m  d1 n员主观认为只要是热流体, 其进主换热器的温度就
. |' u- t4 U) D6 }2 W越低越好, 未对空气预冷系统进行优化调整, 导致
0 i. e$ f5 N# ~/ `5 N" t- y主换热器热端发生温度交叉, 使热端温差变大。需
/ I* ~% p# T% y+ G4 T: ^2 d要指出的是, 此时反映的热端温差也不是真正意义
上的热端温差, 真正意义上的热端温差指的是返流
+ Y6 k$ H$ t. d5 a1 H& M气和正流气(含正流空气和正流增压空气) 的平均
温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
3 H. U4 S! Q' n+ O& l& Z1 `略小一些。
产生这些现象的原因很简单, 在主换热器热端
' n+ v/ `) w5 A, X" G* [/ u$ b的某一断面, 返流气的温度和增压空气的温度相
0 o7 a9 F7 u! L3 g等, 而过了这一断面, 返流气不再被增压空气加
热, 反而被其冷却。这样返流气一方面受到比它温
度高的正流空气的加热, 另一方面又受到比它温度
低的正流增压空气的冷却, 换热面积得不到充分利
& I! Z. }  B$ s用, 造成热端温差加大, 增加了不可逆损失。此时
% R( d1 N% }, s& @, O" i增压空气所占比例越大, 增压空气和正流空气温差
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
+ F& c: Q# s, X0 O8 c. ]) j对空气预冷系统工况进行优化调整, 通过调节
0 s2 u) X. R3 p/ _0 P) y  w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
  R1 w. V: _& [$ }0 o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
5 q/ A2 A7 |5 u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
1 a7 N4 u' {5 K- b; b面积得到充分利用, 从而有效缩小主换热器的热端
5 y) ?( `' a. G温差。但应控制增压空气进主换热器温度不能低于
6 b8 i" ]8 [, ]/ p/ |正流空气的进口温度, 否则将产生温度交叉, 使部
分传热面积失去传热作用。调整后主换热器热端温
5 t6 e1 b4 z' H. [差缩小至3 ℃以内。
' Y- v! d7 F$ Z% C& [* }% F4 　结束语
9 I$ T+ j5 M3 ?# x' G. K. u产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
  V/ E# ~. L/ k5 d# S" U. J* q然而却有很多新用户的空分设备普遍存在这种情况。
* l) c# y+ W/ `. Z5 z+ L2 S大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
4 _1 b. s* _8 e3 n. @/ R  N/ l最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬
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