主换热器热端温差过大的原因和处理

1 　主换热器热端温差偏大现象
/ K- q$ k% N# o6 y  D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
. Y( @: r0 t$ X+ ]5 M& p* F1 P+ A; N换热器为分体式, 有1 台氧换热器、1 台氮换热器
( K1 Z: R) \/ S4 _' K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
9 u7 m3 u" Z, i4 N/ F6 U$ C0 H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
* V8 V" P; S4 G0 q% t温度决定, 各换热器的增压空气量不设调节手段。
8 u$ u" _: z2 L9 }+ }# y% Z- U因只有1 个抽口, 进膨胀机空气温度亦无法调节。
" u* n& t0 T" U7 a+ M5 ^1 e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
0 @+ j. W8 D8 S. p( i较多, 而国内较少采用。从换热角度考虑, 取消增
" @& b& _- e5 R2 [: O0 ^6 b0 z4 }压空气下抽口后, 只要抽口位置设计合理, 可以满
# X# {* i( x' P+ [8 ?: b, s/ \足6500m3 / h 空分设备的启动和正常运行, 且可适
' b- A* L4 G- g  \4 }; g- W3 C当提高增压通道下部的利用率, 有利于换热。但这
+ _4 i7 B4 I6 D! W5 }# T  H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
9 w+ I" G3 B9 g- |/ ]% z压空气还是采取两抽口为宜。
9 n% `! y* @( {笔者公司也只设计了两种规格的此类主换热
; j) U9 p5 S, L. B, Z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
! @- X6 V8 m+ {+ S* L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。
6 J4 ~) ~/ p" v+ \& Q9 n! x6500m3 / 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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3 L" N; q" P. V6 h! Z! g/ X图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
$ |6 v; Q# t- o+ f# v: z2 　原因分析
/ r8 T3 g( ]: c7 B$ _造成主换热器温差偏大的原因可能有3 个:
  U8 e& c& r& ?8 v(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
7 u# G0 L# }% N  f: Y7 v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。
& X+ A: t* J2 c/ y6 D(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
- V' S& n+ L8 \3 n! y7 D( m4 N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。
0 E5 S2 Q, D! H+ [# e1 ?) Z(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
: \% G) p$ d5 h2 |温度比正流空气进主换热器温度低718 ℃。因此主
# d9 b% x* G2 H* p2 o& X7 S0 u4 O换热器热端温差偏大的原因非常明确: 由于操作人
% B# f* l3 {. s! Y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
$ ?( P, R% V2 |6 L要指出的是, 此时反映的热端温差也不是真正意义
% j4 n$ O2 q1 D! r5 Y7 y1 J* t; k$ X上的热端温差, 真正意义上的热端温差指的是返流
) @/ T: N: }& Y' t) K气和正流气(含正流空气和正流增压空气) 的平均
* A9 z0 i9 R; [' k- z5 A, y温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
略小一些。
1 T7 `/ _% D2 H* I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
' f; }4 Q4 ^! ]5 Y# |* p: D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
/ v* X( {" n/ y  t7 g) ~4 X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
- t# O5 T+ U# A( S; ?7 H对空气预冷系统工况进行优化调整, 通过调节
( X- n0 R/ S) }  b, J1 n5 C阀V10、V11、V12、V13、V14 和V15 , 减小去增
% |  E* {' A. Y8 r) s+ A压机后冷却器的冷冻水流量, 增大去空冷塔的冷冻
& F) L+ y0 ]3 A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
# w' D  w  `6 |9 j器温度降低, 增压空气进主换热器温度升高, 两者
! K1 B, r) Z2 T9 q趋于一致, 避免主换热器热端的温度交叉, 使换热
6 p+ Y: L) J9 _2 \1 [3 q面积得到充分利用, 从而有效缩小主换热器的热端
+ o6 B2 G$ T  e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
- _" {' u  w# }8 [4 y. {分传热面积失去传热作用。调整后主换热器热端温
% ?1 ~% M4 G; m* h1 F& o7 d差缩小至3 ℃以内。
4 　结束语
0 n* x3 h# K3 W6 v+ q$ r4 P1 c产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
8 M; G5 E) T/ k* p# f+ I& W然而却有很多新用户的空分设备普遍存在这种情况。
: B* I5 J8 M) j' V$ |7 Z; n# @大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
1 }1 l3 U5 I3 S- R( X# h最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬
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