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
0 m% i% d. L, [* J6 o* V+ G( a. o某6500m3 / h 空分设备采用分子筛吸附净化、
  F' I4 w1 r* i6 {5 d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
0 |' F: z0 Z/ x$ Y  i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
$ w2 \9 a4 q& W, e; F: W膨胀机的空气温度由3 台主换热器中抽空气的混合
3 `% Y7 n5 @  r: \) Q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
' ~! t( U( j, f1 }6 X+ h% m* r节的主换热器, 因对设计要求较高, 尽管国外采用
9 D9 H  Y/ t  c& f较多, 而国内较少采用。从换热角度考虑, 取消增
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
- p3 m  X2 X' m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# h, F' r- A4 y3 K. c% N变化较大的空分设备。从操作和调节方面考虑, 增
3 Y  ]( \& a* E, `/ o压空气还是采取两抽口为宜。
4 l; }; s1 O( ^( d, ~7 s: R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
, {' [& I  ]6 D* T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
5 H+ F( d! S  [# @- u备都采用了增压空气两抽口设计。
7 Y7 D/ D' V: x6500m3 / h 空分设备开车运行后, 主换热器热
8 n2 H* k5 @/ S; Z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
" C' }' |$ K# G0 K2 　原因分析
/ [4 F' e5 N1 J! h6 u造成主换热器温差偏大的原因可能有3 个:
& i2 Q: |/ X4 L(1) 没有膨胀机进口空气温度调节, 且主换热
. b' Q7 H$ Z# v$ ?: ]1 ?* S  H器中间抽口位置设计不合理。之前采用的主换热器
/ ~3 n( `( m% u增压空气抽口都有上、下两个, 进膨胀机温度可根
7 {9 G- P. Y- X. h/ N9 B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。
(2) 换热器设计余量不足。因为通过计算发
. X9 I7 A9 d& \7 g+ k3 f! q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
! s' R& m6 H  Y) O  L  P% i足够的余量, 但与以前同规格主换热器相比偏小。
* w7 J. H# ?9 R! b3 T. R(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
( f$ T6 ?3 c' V. `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
  q) e# R( F0 x- ^" 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
2 |: ~% s3 _# r, V+ Y$ D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
$ ]8 r, j) g$ w+ M% i3 J4 W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
- X# G3 O  J2 y1 y. M) G% v; o2 s$ c$ 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
! @7 L7 U' e. W( V' J; A# c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
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。
. u; G* R0 G2 L  u# f! Z5 I3 　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
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
  H' n' c  }4 @9 \水流量, 适当调节冷冻水回水冷塔流量, 保证冷水
( H" ^8 K8 \9 s+ c4 I( ^机组在设计工况下运转。从而使正流空气进主换热
# _6 s: i+ `5 K6 L, n% J' P器温度降低, 增压空气进主换热器温度升高, 两者
& i$ P$ S/ V. ^% W& [1 P, g( m( D趋于一致, 避免主换热器热端的温度交叉, 使换热
) I8 E1 c2 C$ B4 z2 b  _4 v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
, I) ]1 X$ u% `& T+ X6 X/ l! K, S: }分传热面积失去传热作用。调整后主换热器热端温
8 l& k/ a, M6 {: g  \9 N差缩小至3 ℃以内。
$ Y# f. ?, O) S, a! l6 v4 　结束语
产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
0 t: o0 ]) n" j  J然而却有很多新用户的空分设备普遍存在这种情况。
  U) ^! e3 ?3 f. p/ a4 ~' l+ M' Z大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
6 o! t+ f2 j. }6 B) L/ v( m' _) W最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬
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