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
某6500m3 / h 空分设备采用分子筛吸附净化、
% d7 p7 `7 M( q9 p# V( v增压透平膨胀机及全精馏无氢制氩外压缩流程, 主
: F' G' g! q4 Z! |3 b' ~7 d换热器为分体式, 有1 台氧换热器、1 台氮换热器
* f5 H5 u$ M  g5 y9 r7 M; J4 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
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。
0 C% V+ q0 I  v, m1 a9 P1 F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
$ n9 e& C: p" G; w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
9 ~' z6 }  E6 {+ G8 D2 A/ H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
当提高增压通道下部的利用率, 有利于换热。但这
: u4 f& A$ e4 T( ^种主换热器不适宜用在较小规模和对液体产品需求
, G1 G& V7 k. ]6 \变化较大的空分设备。从操作和调节方面考虑, 增
- r# N2 h  u' `, C6 C压空气还是采取两抽口为宜。
! [0 T; j5 s" U笔者公司也只设计了两种规格的此类主换热
器, 一种用在了2 套6500m3 / h 空分设备上, 另一
: U1 X( L8 F# `) m4 O2 u5 _, O4 x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
8 v  L6 \: B, h/ N! P端温差一直偏大。返流气和正流空气温差达414 ℃
3 {& m8 Y3 D* y+ q- D9 U" O～5 ℃, 而其设计值为3 ℃。
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图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
! O% I- }, C1 Q& p! r: P, A; }2 　原因分析
造成主换热器温差偏大的原因可能有3 个:
/ }6 v# H  Z$ R  b(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
1 V' L' c- d- o. o增压空气抽口都有上、下两个, 进膨胀机温度可根
' L7 U# _/ x% B5 k! N6 d据需要在一定范围内调节, 还从未采用过这种不带
. X7 ~" `% n$ T4 b* @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
足够的余量, 但与以前同规格主换热器相比偏小。
' l3 |9 C, r" }- A(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
5 h" D. O5 W0 v: r3 [1 w' i, s  @( t温度比正流空气进主换热器温度低718 ℃。因此主
( e, C  N/ @% @. P$ S换热器热端温差偏大的原因非常明确: 由于操作人
! o/ Q( ~2 p! S- R5 C) a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
: j, R# g3 O2 `: Q- n6 W- A0 P) I9 K主换热器热端发生温度交叉, 使热端温差变大。需
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 G1 s$ Z% A  H/ R+ v  y$ H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
3 D+ r4 k0 i5 X; i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
- Q* x1 c8 l, |& f: f- D; i低的正流增压空气的冷却, 换热面积得不到充分利
& j4 v0 i/ ?; L9 b# f& m( L/ {6 v2 ^用, 造成热端温差加大, 增加了不可逆损失。此时
: W" i4 @+ W2 a+ P增压空气所占比例越大, 增压空气和正流空气温差
5 M# O$ |& L4 \越大, 对主换热器热端温差的影响也就越大。
& J  h5 [% n% ?$ c5 t- ]/ D3 　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
5 H* t, M2 Q' V) j6 c; Q1 ^8 W阀V10、V11、V12、V13、V14 和V15 , 减小去增
- G# ^2 X% \7 Z/ Y压机后冷却器的冷冻水流量, 增大去空冷塔的冷冻
, {" q- P9 x5 W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 u! J( m. z, [0 C器温度降低, 增压空气进主换热器温度升高, 两者
$ D; v& F' X6 O2 Z趋于一致, 避免主换热器热端的温度交叉, 使换热
) f9 d1 W" W1 C5 h6 {面积得到充分利用, 从而有效缩小主换热器的热端
$ r) Q( q6 `7 F& n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
4 p" O" _2 J$ I; j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,
最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬
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