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、
$ B8 \+ Q& r% ~增压透平膨胀机及全精馏无氢制氩外压缩流程, 主
0 [' s$ c" `9 l! a/ m6 x+ A; I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
进行调节。增压空气出主换热器只有1 个抽口, 进
( R" C4 W& Z! u& M# Q' E7 Y" X7 P9 Y4 o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。
2 k4 C* D. l" V+ I. _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
; N  E+ }& ~6 x' V6 s/ x3 u. ]) Q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
3 q6 T( k$ x: m9 g4 ?1 I* F0 L7 ]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
' X- |. L/ @: t% j6 s. d: h) C种主换热器不适宜用在较小规模和对液体产品需求
7 r3 Y) Z3 }& Y3 H/ M/ m# s# v+ z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。
# ?$ O3 |) f' {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
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。
! ~5 P$ J5 N# k. B6500m3 / h 空分设备开车运行后, 主换热器热
0 R( F1 m9 [; B6 U端温差一直偏大。返流气和正流空气温差达414 ℃
1 \6 G$ V8 \* m) X& @0 T～5 ℃, 而其设计值为3 ℃。
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; e* Q" M8 A6 G; w! y图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
2 　原因分析
! l8 u9 G, j, w5 G1 d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
. f1 q( O6 m, V: h7 J8 `7 \) ?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
4 T: w3 X0 S# B! ^; k9 R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
  F9 x; g/ }6 F; M7 C换热器设计时作了适当的减小, 尽管理论上亦留了
, F8 O; e" Z5 R" }足够的余量, 但与以前同规格主换热器相比偏小。
9 R. k) E0 Y" f0 V( K. C(3) 操作时工艺参数调节不当。
1 I% S5 Y1 M6 C. U1 l) X根据现场实际操作记录: 增压空气进主换热器
/ p; T* l* |' f; L! E( k% t/ S( t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# o1 `) G0 a8 u# s员主观认为只要是热流体, 其进主换热器的温度就
( J" H( h6 h$ M) v4 ~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
要指出的是, 此时反映的热端温差也不是真正意义
* W+ N8 u8 p1 f; B6 Y* W" p: C+ A上的热端温差, 真正意义上的热端温差指的是返流
0 D! k( l2 C% X2 i! y& l+ |/ ?气和正流气(含正流空气和正流增压空气) 的平均
% z  `: a. Q* R) I温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
/ J% Z) D/ B. t2 _$ o- q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
% t6 _! |4 P) c' }: F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
0 W. v2 i) R; L! W低的正流增压空气的冷却, 换热面积得不到充分利
; B4 L# ]8 }& V/ Q用, 造成热端温差加大, 增加了不可逆损失。此时
1 X" s/ c1 t7 W' M增压空气所占比例越大, 增压空气和正流空气温差
$ @% D4 S8 t7 B+ F越大, 对主换热器热端温差的影响也就越大。
# G' c" F: a$ O5 ^9 A* t" V1 H0 D3 　解决方法及效果
5 A1 j/ Y! k3 F# }/ E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
$ k8 S8 H$ K/ Y: s6 p+ G  [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
# i3 W0 H  s# N4 n" p机组在设计工况下运转。从而使正流空气进主换热
6 ~% u4 ~8 T/ P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
- q9 n2 }( }  g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
% w( x' d; v  ], J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。
4 　结束语
产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
/ M. M' ~' D' l, b8 f. g然而却有很多新用户的空分设备普遍存在这种情况。
  v; f7 M6 S" K, t% B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。¬

积极参与，共同提高