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
某6500m3 / h 空分设备采用分子筛吸附净化、
! i) G  P3 r9 b& n1 J增压透平膨胀机及全精馏无氢制氩外压缩流程, 主
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
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
2 H6 L) x+ O; |8 _, z4 I) _4 i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
; d& I/ H( \4 \5 r- y较多, 而国内较少采用。从换热角度考虑, 取消增
6 m6 w, a( @( G1 P5 t7 ?! \2 J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
) f6 n% r+ b6 n5 H9 A; L8 o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
3 k. Y9 b4 `" H8 ?- N变化较大的空分设备。从操作和调节方面考虑, 增
; c9 m  A1 u: T( c# C* {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
" H% r. ?+ m6 I2 u: z! p器, 一种用在了2 套6500m3 / h 空分设备上, 另一
! P8 ?, G' T9 U; q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。
6500m3 / h 空分设备开车运行后, 主换热器热
9 Q/ O, Q8 f' a# Y) ~0 m# r8 |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
8 I5 o' Z0 Q# W  c5 j( @0 s( P6 Z7 w2 　原因分析
造成主换热器温差偏大的原因可能有3 个:
/ ^" j" T1 y" {: D( Y  P2 a( k(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
9 W, ?2 i! Y; D% {+ c* Z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
% _5 l$ S- c" q; j0 C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
; j( v: O# J" [% [4 |现, 以前主换热器所留设计余量普遍偏大, 故此主
, c, k' H! X" ^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。
根据现场实际操作记录: 增压空气进主换热器
: S' z& \  z: j温度比正流空气进主换热器温度低718 ℃。因此主
2 X# s$ z5 o5 n9 b' x; \换热器热端温差偏大的原因非常明确: 由于操作人
: D( l' _0 g  b. W0 G" R6 G员主观认为只要是热流体, 其进主换热器的温度就
7 i3 C6 Z  n$ m8 ~  f7 r越低越好, 未对空气预冷系统进行优化调整, 导致
/ J. U+ |+ c& `  y4 B" W主换热器热端发生温度交叉, 使热端温差变大。需
: b! i- X  [  E要指出的是, 此时反映的热端温差也不是真正意义
& c( l7 A  f6 G% [3 d0 m上的热端温差, 真正意义上的热端温差指的是返流
3 k" r6 w8 }( M' Q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 ℃
略小一些。
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
8 H+ q  I; T  X2 B( @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
6 Y( l+ p$ |8 ?) C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
越大, 对主换热器热端温差的影响也就越大。
  E" B1 V& v* F: ~6 ?' x3 　解决方法及效果
: G! g) X7 `  c+ _% ?( U对空气预冷系统工况进行优化调整, 通过调节
3 Z! L9 l: G7 o9 b7 h: B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
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
面积得到充分利用, 从而有效缩小主换热器的热端
, M. v  e/ q- K6 m: V/ ?温差。但应控制增压空气进主换热器温度不能低于
8 g! e! A$ l- o, c3 |4 C0 y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
( Z  D; g, d0 [) C差缩小至3 ℃以内。
4 　结束语
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,
/ `! E2 Y3 ?8 P9 F) _7 i/ i1 Y* p最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬
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