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
5 z5 e9 J4 R9 b, w5 |0 Z0 [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
' G( U/ P$ ~. n8 M+ F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
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。
9 X+ g9 T# s2 A8 i8 E3 O, \4 i因只有1 个抽口, 进膨胀机空气温度亦无法调节。
6 [) j9 |5 Z. l% I/ I9 o1 I此种增压空气只有1 个抽口、不带中抽温度调
, I1 v! e: q( Y6 I8 s6 l节的主换热器, 因对设计要求较高, 尽管国外采用
" Y. Q& V+ e$ Y3 Y. e2 l较多, 而国内较少采用。从换热角度考虑, 取消增
  c- p: s' {7 g2 e+ V压空气下抽口后, 只要抽口位置设计合理, 可以满
* s( {- j# Y; r足6500m3 / h 空分设备的启动和正常运行, 且可适
. O, P! J. d5 ~7 ]+ g; r当提高增压通道下部的利用率, 有利于换热。但这
& S  A- G# n  T+ L0 B/ J/ v种主换热器不适宜用在较小规模和对液体产品需求
# X% q2 z% f$ e, |( g变化较大的空分设备。从操作和调节方面考虑, 增
! e" N6 W% \4 l# N$ w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
5 h  D1 d# e+ F8 z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
" `2 G, a0 e( b  E6 z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。
3 p5 ?; ]6 x9 d$ X8 b- s! R; j# ~6500m3 / h 空分设备开车运行后, 主换热器热
' \! K6 S. i, I端温差一直偏大。返流气和正流空气温差达414 ℃
- J+ Y* v! c- d2 s; j# M～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
; f3 x# I4 ^8 N8 }造成主换热器温差偏大的原因可能有3 个:
) G, l: l: w3 B- F  r(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
+ M0 g1 [& c5 ~% o3 _增压空气抽口都有上、下两个, 进膨胀机温度可根
- F3 A/ R# \8 n. ?据需要在一定范围内调节, 还从未采用过这种不带
, u0 S% n+ o% l. t0 @温度调节的主换热器。
' ?# d  U) A' y, g3 F(2) 换热器设计余量不足。因为通过计算发
& J& p/ n8 d5 S+ q3 G4 I1 }( c& x# ?现, 以前主换热器所留设计余量普遍偏大, 故此主
4 x, y1 `6 D1 f* D9 l1 x0 W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。
( v& h8 H) d8 U7 j! ?) g1 b(3) 操作时工艺参数调节不当。
& L5 Y+ I& V) u4 I; g! H根据现场实际操作记录: 增压空气进主换热器
& F' U5 \- A1 O7 M$ h% C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
2 K  o, Q4 v- V! w越低越好, 未对空气预冷系统进行优化调整, 导致
) ?/ Q* R4 v1 H+ _( D主换热器热端发生温度交叉, 使热端温差变大。需
' Y9 V3 O: L. m& b8 b* I- S: Y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
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
/ X2 \. i' A- s% ?的某一断面, 返流气的温度和增压空气的温度相
3 b% D5 |' b- ^& E8 N, I' s/ E+ 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
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。
  ^/ ?) `. l$ ~+ L8 I1 ^3 　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
) i9 Y; v& G: \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
( @' k5 R' a3 ?" a1 ~- A水流量, 适当调节冷冻水回水冷塔流量, 保证冷水
& K/ t6 i; F& R$ |) F/ A: x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
2 ^0 G8 |8 j' z$ Q" t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
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。
' l6 M# }4 i" J1 T5 g4 　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。
6 i; @- L$ f# A2 J- p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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