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
- C7 z6 C1 k+ M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
# I4 H2 h2 u: t1 T6 ^% s* |8 h- s! v4 g进行调节。增压空气出主换热器只有1 个抽口, 进
, D: m- x3 ^( H( O, n0 F# _膨胀机的空气温度由3 台主换热器中抽空气的混合
/ P- o: A2 b/ P, v& n! t$ _# p温度决定, 各换热器的增压空气量不设调节手段。
+ W* C# e5 W+ }; p  j$ Y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
% K' N/ _1 d& N+ \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
" D1 C0 z& b& L. z3 y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
4 l5 p; Z9 z+ p# d; ^' G* h$ G& o种主换热器不适宜用在较小规模和对液体产品需求
" E2 q% N/ l1 }& c5 l1 _) X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
器, 一种用在了2 套6500m3 / h 空分设备上, 另一
9 S( q# a. V6 x4 M" v2 }" f2 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
备都采用了增压空气两抽口设计。
: P9 J0 @( ~: f9 p8 k. B# @6500m3 / h 空分设备开车运行后, 主换热器热
端温差一直偏大。返流气和正流空气温差达414 ℃
! Z- y6 g/ A  S9 k2 B～5 ℃, 而其设计值为3 ℃。
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图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
2 　原因分析
- a/ f' [$ P; l' P& e) R  {. A) Q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
* U' b4 p4 Z" ]& L' M据需要在一定范围内调节, 还从未采用过这种不带
9 @2 {  Q' T. c温度调节的主换热器。
' {4 z$ }. k& Y6 T$ P5 ?(2) 换热器设计余量不足。因为通过计算发
3 U' K$ U  o5 R: B. _% _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。
+ |( _- I. E* w# Z$ T(3) 操作时工艺参数调节不当。
  K6 j* j2 H; r. I' @, d$ n6 R根据现场实际操作记录: 增压空气进主换热器
# M( y- P4 i0 j6 L! L1 U  d) u1 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
员主观认为只要是热流体, 其进主换热器的温度就
7 G4 R: u& m( ~, M' w越低越好, 未对空气预冷系统进行优化调整, 导致
! n1 r5 I. k7 d主换热器热端发生温度交叉, 使热端温差变大。需
, ?* W5 g1 W0 B5 l3 X要指出的是, 此时反映的热端温差也不是真正意义
) B9 z; E. i: N) m! S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
温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
略小一些。
2 c$ n+ r) g8 L% x  w6 n5 D产生这些现象的原因很简单, 在主换热器热端
, R$ F. {4 o4 i7 b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
0 |) f* g! _, M) n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
4 U( h/ F: F6 L1 I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。
3 　解决方法及效果
& l2 t5 S( ^4 {. u# t" D6 k对空气预冷系统工况进行优化调整, 通过调节
* s- S' C( B- s; v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
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
# T4 P. a' l  P+ j  a* E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。
: E6 W+ ~7 A) ], f0 Q- x! t+ ~/ V4 　结束语
9 j' g8 [; M; h) c- T0 _, l. I产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
2 Y; x" T3 c, E2 l: |' Q  }4 c  i然而却有很多新用户的空分设备普遍存在这种情况。
- {: Z: B" ~, `3 G  s! V大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
% b: ]: o1 [7 [" r: i7 i最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬
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