主换热器热端温差过大的原因和处理

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( Z5 x2 X+ t  Q1 　主换热器热端温差偏大现象
/ s- p/ L: b/ A9 C; r8 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
换热器为分体式, 有1 台氧换热器、1 台氮换热器
( |5 n) w* d0 ?! d和1 台污氮换热器组成, 其流程如图1 所示。
, w. N+ s  f* Z& c) ?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
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
) [  Y) b, r! _: @较多, 而国内较少采用。从换热角度考虑, 取消增
& J8 |0 I5 C2 a; M$ q( I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 _0 ~6 @% c$ n; d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
' q( N2 i5 ]) _5 H* n2 T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。
笔者公司也只设计了两种规格的此类主换热
/ O4 d9 {* @$ B& [' d9 t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
# i; G2 I: {$ s2 C8 h+ G* c7 Y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
7 x, L" \9 [  X2 s; {. K7 f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 z( X7 c) H7 Q/ `. c2 H+ q图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
) a- ?( P0 S( q  G/ `3 N2 V2 　原因分析
4 ^9 _# i8 \* S: _- ^' r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
! U( z/ N; u% M3 S增压空气抽口都有上、下两个, 进膨胀机温度可根
4 J4 H' A2 C( M1 V8 g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。
- T4 Q  E! k/ q9 O( e& P(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
; e$ S4 q8 H; M) f) ]. Y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
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
; ?8 w" {6 v: g1 L. o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
6 f# w) O- @, _  u主换热器热端发生温度交叉, 使热端温差变大。需
) T' s. t3 l8 T4 h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
5 U, h6 @* A. F# c3 f% P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
( S) U/ l$ a+ L1 g的某一断面, 返流气的温度和增压空气的温度相
8 p' |  ~; a! f, t5 v8 |# @/ n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
用, 造成热端温差加大, 增加了不可逆损失。此时
$ W6 K6 O  J" ]* L( ~8 C9 o9 |增压空气所占比例越大, 增压空气和正流空气温差
9 K0 [7 B0 ~. Q/ T+ H, N+ z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
$ m: q) n& u% h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
2 D  \% \5 L4 i2 \3 [压机后冷却器的冷冻水流量, 增大去空冷塔的冷冻
3 D. D+ @0 r6 r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
2 H2 b0 o& v+ _! G6 L0 K; O器温度降低, 增压空气进主换热器温度升高, 两者
2 t! _( l) e7 u6 p6 x& D; ~; Y( |% W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
温差。但应控制增压空气进主换热器温度不能低于
6 l; ^9 y! Q/ J; S7 {4 i* N正流空气的进口温度, 否则将产生温度交叉, 使部
/ w2 `" W6 e1 S% y; P分传热面积失去传热作用。调整后主换热器热端温
, J/ L" z% F' O差缩小至3 ℃以内。
& m; G0 T" E- m% |( v1 B4 　结束语
. z, w. _4 y/ \+ [% M1 T" c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。
& _7 A: q' c6 W- i) `大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
: i4 R+ L0 w) Z9 A& j最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬

积极参与，共同提高