主换热器热端温差过大的原因和处理

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1 B' x+ l: W  N6 Z% _' t3 I1 　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。
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。
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
% o& ~% U% S4 Z/ F" Y+ K. g节的主换热器, 因对设计要求较高, 尽管国外采用
: K/ O) S! Y  M# R. y) J3 {: o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
; w- b. O9 U% S& [9 o# E! f足6500m3 / h 空分设备的启动和正常运行, 且可适
" _" O; L  i$ d5 n. ~  l; s当提高增压通道下部的利用率, 有利于换热。但这
; d* z( v+ K$ w* e( `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
# ]( j; g  h! f* H压空气还是采取两抽口为宜。
% }4 m$ O+ g) l# z1 I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
  l9 E6 s1 |  P2 J+ g! ~种用在了1 套6000m3 / h 空分设备上, 实际运行亦
  c- h$ `' a9 ~/ z+ u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。
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 ℃
3 |4 v. O: k" [  a* |3 M3 b～5 ℃, 而其设计值为3 ℃。
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图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
) A( {5 `& ]; o2 r8 H; U2 　原因分析
( E) v/ A; g% 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
* }' O. ?9 K% u! L! A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
温度调节的主换热器。
# @( X2 q1 }$ I5 q, ]/ w- X(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
2 Z% B8 K  y# z1 W% U! c$ {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。
根据现场实际操作记录: 增压空气进主换热器
/ C* z7 b' w0 A: t' v1 w温度比正流空气进主换热器温度低718 ℃。因此主
% f, c/ S& m6 d: N) z; f; ?5 e( m换热器热端温差偏大的原因非常明确: 由于操作人
$ Q' U% T* ^. R! E3 W/ [, r, U员主观认为只要是热流体, 其进主换热器的温度就
9 F9 g& Q0 S1 Q: E越低越好, 未对空气预冷系统进行优化调整, 导致
/ H( I: J& m: m$ h# `) i主换热器热端发生温度交叉, 使热端温差变大。需
) j* P9 o2 _* q要指出的是, 此时反映的热端温差也不是真正意义
4 z1 ]+ s, V  P: o, v) \" H/ g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
1 W' _9 T- `" u- J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
* w) S2 Z! n  B6 p/ @% v等, 而过了这一断面, 返流气不再被增压空气加
& x( q6 E0 z3 P7 m$ K% b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
$ A& P  R7 `" T7 l, t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
4 @* U' V* N) `+ j! g2 n越大, 对主换热器热端温差的影响也就越大。
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
阀V10、V11、V12、V13、V14 和V15 , 减小去增
) ^% a; g7 R( L$ q3 l; @3 x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
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
面积得到充分利用, 从而有效缩小主换热器的热端
5 S( x$ }  i! M; N5 C8 c( [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。
4 　结束语
& J& u2 F& v  u  F8 t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。
3 v% L4 J. k" _. d" Y大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
& k, N- _9 y9 D6 A( b最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬
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