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
. N' {- q4 \. G某6500m3 / h 空分设备采用分子筛吸附净化、
4 Y/ ^" n3 ^4 D: l0 A增压透平膨胀机及全精馏无氢制氩外压缩流程, 主
6 ]0 F& H1 d/ g/ M4 K0 M1 r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
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。
6 G9 L  t2 p8 U. ^4 h$ G* ?- f5 R( [; B因只有1 个抽口, 进膨胀机空气温度亦无法调节。
, o8 H" Z+ M7 _, d0 S2 a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
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 J( C$ p4 w" q  l" z# D  N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
种主换热器不适宜用在较小规模和对液体产品需求
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
1 q2 J9 e. Z! o- {器, 一种用在了2 套6500m3 / h 空分设备上, 另一
7 C; [9 S2 N* F* I, p8 i( j种用在了1 套6000m3 / h 空分设备上, 实际运行亦
; |+ Q0 s( J: M, K8 _' c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。
+ b' c$ \# r4 B& g( l. d" J+ `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 ℃
, G) X% Y  R1 P4 U, V% k/ Q! D～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
5 s- `4 c* M' U+ S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
) V, c& W8 I- \% \增压空气抽口都有上、下两个, 进膨胀机温度可根
/ N9 P( P# r5 @7 f据需要在一定范围内调节, 还从未采用过这种不带
6 @; y7 a" B# o, s( J* g温度调节的主换热器。
; y6 z# R2 U0 M) k- e(2) 换热器设计余量不足。因为通过计算发
) d% [/ X/ v& Q# y( V现, 以前主换热器所留设计余量普遍偏大, 故此主
# {: |9 T: h! A& H7 y% u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。
(3) 操作时工艺参数调节不当。
3 i3 D. I5 \5 P, G4 \根据现场实际操作记录: 增压空气进主换热器
3 [, p+ I+ U" M% C7 h% [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
4 l  _# m; {$ \( C1 x% T$ X) j" `$ y越低越好, 未对空气预冷系统进行优化调整, 导致
6 h3 P" s4 d. H" D7 U# F! H1 u0 \0 \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
/ K  Y. g1 Z( h7 z  q2 w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。
6 u; L; w. A1 R& l, t/ ^7 O5 n产生这些现象的原因很简单, 在主换热器热端
  p: H! x; U+ f/ E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
- K- H3 l7 U9 k5 o+ B0 m热, 反而被其冷却。这样返流气一方面受到比它温
; W+ l7 X  K+ Q8 h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。
$ S% W$ ?- ~% n. J" w6 x9 E3 　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
: q5 j% R/ Z1 H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
7 x7 K& {) W2 t/ K器温度降低, 增压空气进主换热器温度升高, 两者
9 |- [, Z/ z) F: `趋于一致, 避免主换热器热端的温度交叉, 使换热
4 \2 ]: t* G9 s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
# T, r$ u3 \+ C$ B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
3 f1 M3 B4 }* k7 z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。
大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
% u) S9 ]9 h% E  I- v6 t0 q最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬
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, P% v1 P5 S' f+ K8 j0 u6 c

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