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
; x, o5 [) u- [) n+ `+ v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
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
1 P; D0 }, A% Q4 N9 n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
) v! S) a8 q1 k8 c  O9 f温度决定, 各换热器的增压空气量不设调节手段。
  x$ O% I7 o& G* O因只有1 个抽口, 进膨胀机空气温度亦无法调节。
% \* h% v7 \9 U, D5 ]此种增压空气只有1 个抽口、不带中抽温度调
) F3 W8 }7 P$ r7 W# W2 \4 X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
4 l* `( G7 W  H# c- m$ U压空气下抽口后, 只要抽口位置设计合理, 可以满
. u, Z. c8 [( L- h3 ?- W) z- |, T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
2 Q( ]* x: f$ e0 K6 v5 ?4 w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。
( Z& l! S3 }8 Y2 f笔者公司也只设计了两种规格的此类主换热
% b( p8 @* d6 F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
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
  \. @' j, B& B, a" O0 `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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+ h+ l  g) u# K0 f3 X5 K5 s图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
, S, A6 k6 o' T5 Q  _: M8 r7 v2 　原因分析
- i, b4 u4 Q$ F$ e" b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。
8 E# g) a+ V: @- r' U: _( h" u(2) 换热器设计余量不足。因为通过计算发
! ^- t4 ]' f8 i  |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
9 |8 e! ]+ D6 \6 X: ~' }3 X; b2 M足够的余量, 但与以前同规格主换热器相比偏小。
# t7 H( `9 ~( V' q( S" {2 I(3) 操作时工艺参数调节不当。
- e9 T' V7 b2 b' e) Q+ v( p) ~根据现场实际操作记录: 增压空气进主换热器
0 p0 |9 v# w% y/ m) u1 [0 W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
5 N; s9 F' [* a% Q. C3 X, T要指出的是, 此时反映的热端温差也不是真正意义
6 w9 n( ]9 v+ w9 L上的热端温差, 真正意义上的热端温差指的是返流
' Z" o  A! _+ F1 I* q9 {气和正流气(含正流空气和正流增压空气) 的平均
/ T4 w3 Z* z& C温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
) e, Z3 d+ I( |  N- ^' A略小一些。
产生这些现象的原因很简单, 在主换热器热端
( B9 J3 U, f' ^+ A/ G, m的某一断面, 返流气的温度和增压空气的温度相
' Y$ M1 {$ {7 V8 u* M* d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
/ F+ P, a( g0 i* P9 E: f. `) ^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
$ a9 Q3 p/ R& {* C用, 造成热端温差加大, 增加了不可逆损失。此时
3 {6 H& C; e0 f- a9 f增压空气所占比例越大, 增压空气和正流空气温差
7 ~# J8 O( E$ p  S1 q: c2 F" B越大, 对主换热器热端温差的影响也就越大。
! G. v; F. Q7 T* I" \/ G& G3 　解决方法及效果
对空气预冷系统工况进行优化调整, 通过调节
4 a0 d) ?" P  z$ s1 Z阀V10、V11、V12、V13、V14 和V15 , 减小去增
5 N# p7 V) z' e: S1 r压机后冷却器的冷冻水流量, 增大去空冷塔的冷冻
1 [9 \6 K! p/ _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
) a; Z6 F5 w0 l/ l4 m1 K6 h! R器温度降低, 增压空气进主换热器温度升高, 两者
: x# {% e8 @6 N; K  Y3 @' [+ E+ Q趋于一致, 避免主换热器热端的温度交叉, 使换热
' |2 y7 C, d" b/ S# _7 Z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。
' @2 P7 x9 r# y7 J4 　结束语
+ t7 E0 D( v$ R. a产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
0 C& W5 s& q6 k' ]然而却有很多新用户的空分设备普遍存在这种情况。
( J5 ^4 L( O$ L/ ~9 M大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
( O5 H, {8 C+ y& }0 z最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬
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