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
. N8 i& k$ g& W5 W0 P& ?某6500m3 / h 空分设备采用分子筛吸附净化、
) v- d: B' Q! H  n) T' z) a增压透平膨胀机及全精馏无氢制氩外压缩流程, 主
1 R4 F9 Z. F6 ^% O5 i$ `' A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 [4 t; N% d9 T! F9 @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
% t- E) S8 Q+ B$ U8 }' u+ j0 X- [温度决定, 各换热器的增压空气量不设调节手段。
3 k( ]" q6 p9 B: P7 `. X因只有1 个抽口, 进膨胀机空气温度亦无法调节。
& G7 B$ N6 ?% _7 _2 `, ~' X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
4 @4 I' e0 u; d* J; x% f5 {" ^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
, y4 w1 ~+ q0 S9 a, d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
! L" N2 f+ `, w' p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。
) l/ q* u; I- I" ^9 u/ V) S笔者公司也只设计了两种规格的此类主换热
" y( K# w! h; c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
: x& S# k. b2 M8 p; A0 i+ a都达到了设计要求。但后来设计制造的所有空分设
4 i9 o$ H- _7 \$ x& J备都采用了增压空气两抽口设计。
: G$ ~9 u1 }8 W" ]. u0 s: k6500m3 / h 空分设备开车运行后, 主换热器热
$ g$ D5 G7 l! b7 |$ K; P& |) o端温差一直偏大。返流气和正流空气温差达414 ℃
' D* Z8 \- b# W～5 ℃, 而其设计值为3 ℃。
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2 @. l' V% i5 w  l4 M, k  \图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
2 　原因分析
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
% C$ N& G9 L: H9 B据需要在一定范围内调节, 还从未采用过这种不带
( d' f1 Y  c9 m* H. p% k2 O( _温度调节的主换热器。
5 h* A9 E3 O' W" O+ C7 E1 Z3 y(2) 换热器设计余量不足。因为通过计算发
: u8 t, y2 e. I) |% r+ J现, 以前主换热器所留设计余量普遍偏大, 故此主
7 Z6 F& g3 y# w( k$ z# ]5 ]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。
! o9 N. P1 N5 G" [(3) 操作时工艺参数调节不当。
6 c+ [  ]; O; e4 M3 z: |, \. H根据现场实际操作记录: 增压空气进主换热器
温度比正流空气进主换热器温度低718 ℃。因此主
3 ^  J$ a7 o, D$ k换热器热端温差偏大的原因非常明确: 由于操作人
# |2 S+ e4 L& A, I; V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
: H0 S! p+ U- r" }' _+ n! b1 j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
+ |' N% S% w% j0 ]% v上的热端温差, 真正意义上的热端温差指的是返流
; ^. q# ~' h+ B/ l( ?2 }; S+ [气和正流气(含正流空气和正流增压空气) 的平均
3 ]! D! c1 Y2 n2 S# O! c( J1 w温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
1 d3 q  w9 V$ ?: ~/ p4 h" J) S略小一些。
产生这些现象的原因很简单, 在主换热器热端
: P4 l- T8 \' I, w" O4 B* l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
, L6 q: ?+ y! g  p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
增压空气所占比例越大, 增压空气和正流空气温差
' `* E( l9 v# {: z; G9 \越大, 对主换热器热端温差的影响也就越大。
0 A; k3 z9 |8 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
阀V10、V11、V12、V13、V14 和V15 , 减小去增
% t. s0 B: \' t( K1 L3 e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
; m$ p1 z6 ^$ o& H器温度降低, 增压空气进主换热器温度升高, 两者
3 P1 N$ N4 D+ \3 p& g趋于一致, 避免主换热器热端的温度交叉, 使换热
* T& w# r) l; a+ p3 u- E面积得到充分利用, 从而有效缩小主换热器的热端
! `3 B7 F0 \' H+ B9 Q. ]温差。但应控制增压空气进主换热器温度不能低于
6 b4 @/ }: S' R( D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。
3 U  t9 n% H9 k4 v- E4 　结束语
5 F) ~' D3 Q& |- e7 @# P! f. s$ @产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
7 }7 {: i$ a# J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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