主换热器热端温差过大的原因和处理

流云天下

1 　主换热器热端温差偏大现象
7 n+ d5 ^4 ]9 \" p* u( j某6500m3 / h 空分设备采用分子筛吸附净化、
增压透平膨胀机及全精馏无氢制氩外压缩流程, 主
* ~1 o/ l- f: @6 S" J& V: v换热器为分体式, 有1 台氧换热器、1 台氮换热器
# C: @6 C5 A4 _: g, c) n5 s和1 台污氮换热器组成, 其流程如图1 所示。
; Y/ t/ W2 W  z8 D# L; L热端温差可利用正流空气阀V1、V2 和V3 来
3 _* J6 l  J) _: G0 |! A进行调节。增压空气出主换热器只有1 个抽口, 进
9 h. h, L* I- g+ J9 K, b# e7 x膨胀机的空气温度由3 台主换热器中抽空气的混合
' Y8 l5 k3 ^1 u/ ?+ {/ M- _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
较多, 而国内较少采用。从换热角度考虑, 取消增
0 A* l5 M" Y3 I! y+ f5 Y! |! s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
4 w; a! W; I- r) w4 C) g- I! S, W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
压空气还是采取两抽口为宜。
6 n! ]. ?. K# Z0 d笔者公司也只设计了两种规格的此类主换热
; R, Y- w* m% T- Z器, 一种用在了2 套6500m3 / h 空分设备上, 另一
+ P9 m/ Q) t9 _7 F# A- @8 }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
3 q6 S; d/ e, G. k: P备都采用了增压空气两抽口设计。
& t# f, w8 m5 A$ x& L6500m3 / h 空分设备开车运行后, 主换热器热
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
" f% s: l% P; j7 [7 A, _2 　原因分析
  w( V4 e  q3 a, w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
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
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
现, 以前主换热器所留设计余量普遍偏大, 故此主
换热器设计时作了适当的减小, 尽管理论上亦留了
" u9 ^6 ]/ a- _1 H+ M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。
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
换热器热端温差偏大的原因非常明确: 由于操作人
员主观认为只要是热流体, 其进主换热器的温度就
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
/ Y* q3 y8 D. U+ E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
气和正流气(含正流空气和正流增压空气) 的平均
0 {, C/ g) n# [  `: ?温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
略小一些。
/ @: O" m; V; M7 Q. `7 f产生这些现象的原因很简单, 在主换热器热端
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
# B  u0 j. I3 [% W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
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
) s4 [; [, {( q# J2 g/ N越大, 对主换热器热端温差的影响也就越大。
5 o( |- Z. b/ b/ c+ t3 　解决方法及效果
& t# {( d; U; r: F; K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
8 X7 r. |' v# E1 N压机后冷却器的冷冻水流量, 增大去空冷塔的冷冻
5 [" K4 A; U+ G& z; g水流量, 适当调节冷冻水回水冷塔流量, 保证冷水
2 W; ^1 M( f& y( R6 r- L% q; o* m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
6 v' y: i0 l$ h8 v  q4 K: A, b8 @趋于一致, 避免主换热器热端的温度交叉, 使换热
7 ^% i* x5 A1 w面积得到充分利用, 从而有效缩小主换热器的热端
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
分传热面积失去传热作用。调整后主换热器热端温
差缩小至3 ℃以内。
4 　结束语
  E% k1 @3 F, }- N3 H  W产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
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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