主换热器热端温差过大的原因和处理

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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、
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。
8 K4 n! K5 }! a+ _% b热端温差可利用正流空气阀V1、V2 和V3 来
' \4 j% O. i! K0 _) E进行调节。增压空气出主换热器只有1 个抽口, 进
8 \7 Z2 F- W- d. v& |膨胀机的空气温度由3 台主换热器中抽空气的混合
0 P1 q+ M9 c) n* i: Q2 y" n6 p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。
9 J: V1 k9 j' k$ k此种增压空气只有1 个抽口、不带中抽温度调
' t4 h6 u. U  P) b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
压空气下抽口后, 只要抽口位置设计合理, 可以满
8 A( {' u' z9 j' n9 |足6500m3 / h 空分设备的启动和正常运行, 且可适
# P# \! Q# c2 G+ K; |5 o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
& |* I$ X/ q( J1 Y0 q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。
3 o6 ^( {9 d) U* \. c$ H$ l. ]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
' y, k5 G! c% a: D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。
# D7 M6 i1 z, R+ w& I6500m3 / h 空分设备开车运行后, 主换热器热
% r' a! K% j: d9 P5 i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
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
* ~  s4 ]" Z7 K" A$ ?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
* q/ Z/ D+ @; V据需要在一定范围内调节, 还从未采用过这种不带
% |1 h" c2 S* i- \温度调节的主换热器。
8 n( z, l5 O: J5 a/ _( O! z8 I, U(2) 换热器设计余量不足。因为通过计算发
' f( ^, w# t. a* m/ b3 h4 z6 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
: e% C6 J- ?, Y足够的余量, 但与以前同规格主换热器相比偏小。
" d* f# z8 a. e7 y0 m/ y8 x(3) 操作时工艺参数调节不当。
5 O7 X$ {- T* R$ }! X% E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
. |+ x) D4 |4 g3 Q% I2 s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
' d- c  ~2 h0 w: B* R' ?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
9 ?: B4 c# f! y要指出的是, 此时反映的热端温差也不是真正意义
5 G2 p$ ?* y. E4 D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 D/ Y0 }/ o7 ^- \: T4 f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
热, 反而被其冷却。这样返流气一方面受到比它温
# n; v+ ]  I* G" i: e4 Q! Y* q% ~$ A4 {度高的正流空气的加热, 另一方面又受到比它温度
. D+ x% p' m+ }低的正流增压空气的冷却, 换热面积得不到充分利
4 o, Z8 R% Z! e( `/ m6 I用, 造成热端温差加大, 增加了不可逆损失。此时
6 a  x* L/ i4 }1 b" I7 J增压空气所占比例越大, 增压空气和正流空气温差
2 W8 G2 B% j/ |! d- @5 a7 I越大, 对主换热器热端温差的影响也就越大。
( N1 ~( ^" g4 h* }8 r7 |. d- s3 　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
; L: J8 k* E' [6 M' I$ n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
7 n; D- R. a( E$ b8 Z水流量, 适当调节冷冻水回水冷塔流量, 保证冷水
8 G" J3 d# n4 n/ X: q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
  ]( G# f/ K# w1 K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
- s; H* |( ^0 m3 Y) ], R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
3 D- u# ~1 M8 e9 M差缩小至3 ℃以内。
, P" u( `# Y4 G: k) l7 {  Z4 　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。
8 N. a) o- l/ `* x2 ?大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
1 Y8 P: P. l4 T最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬
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