主换热器热端温差过大的原因和处理

8 e+ S; v) O3 b3 k* L6 @9 D1 　主换热器热端温差偏大现象
% L5 j* |  Y2 c) u& U某6500m3 / h 空分设备采用分子筛吸附净化、
: x( Z+ w* s8 q9 h. D3 ?  M增压透平膨胀机及全精馏无氢制氩外压缩流程, 主
9 n/ `7 z* l4 o: w换热器为分体式, 有1 台氧换热器、1 台氮换热器
* }$ ~$ L# L  K* I% b3 B( w5 v和1 台污氮换热器组成, 其流程如图1 所示。
9 Y; e% `' J  R5 r* Y热端温差可利用正流空气阀V1、V2 和V3 来
8 \3 |" E) l/ h2 D  R/ e# n进行调节。增压空气出主换热器只有1 个抽口, 进
2 ~. X. h7 H/ J+ x; J( {2 Z4 Z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。
: i' y. w: W) b因只有1 个抽口, 进膨胀机空气温度亦无法调节。
/ ^( K$ g  N6 B* f( q' b* P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
7 \  N# J& T+ E. u9 \# k- B) U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
% C. j% s& k' m! P/ a( q当提高增压通道下部的利用率, 有利于换热。但这
( I/ _3 b5 H2 ?% C7 r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。
5 w9 n( f6 t6 X0 s% P# x8 q笔者公司也只设计了两种规格的此类主换热
0 D1 G! ]3 u$ v' V  P4 X% g7 F/ f器, 一种用在了2 套6500m3 / h 空分设备上, 另一
; w$ J$ j8 W* ?) z# ^5 l& J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
1 r9 q4 o2 E, T0 _$ p备都采用了增压空气两抽口设计。
7 ?. S& W' Y7 v6500m3 / 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 ℃
' Z2 T9 r: h$ n( i～5 ℃, 而其设计值为3 ℃。
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图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
# k4 G) k- H) |$ h2 　原因分析
造成主换热器温差偏大的原因可能有3 个:
3 ^1 m8 B$ g# M) K% R* j(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
% Z- g, o8 o/ M$ I/ [' g( X增压空气抽口都有上、下两个, 进膨胀机温度可根
; H, c+ }* O  `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。
(2) 换热器设计余量不足。因为通过计算发
, I& k% W1 b7 W/ U现, 以前主换热器所留设计余量普遍偏大, 故此主
) w+ P: ^" j4 v4 O, K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。
$ C$ l7 B) Q; P/ q; ^; o(3) 操作时工艺参数调节不当。
- G4 Y) i2 {/ N; J" N9 c' R  j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
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
' c  R6 a3 s) v% W. ?. O' l5 M越低越好, 未对空气预冷系统进行优化调整, 导致
6 ~0 L- V- ?& m0 t1 V$ C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
; J' c: {! N/ }  g( l# M上的热端温差, 真正意义上的热端温差指的是返流
; U5 H; |' W2 D/ |气和正流气(含正流空气和正流增压空气) 的平均
/ A7 I  E  _; F0 T; ^8 S温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
3 W; l* k% `0 r/ Z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
1 K8 {9 j/ q) H7 Z( S5 I: i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
1 r  A  ]9 W- j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
, @7 s% ?* w7 F8 A5 I% X0 b, f用, 造成热端温差加大, 增加了不可逆损失。此时
+ N* N4 u( w6 i, J  F: Y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。
3 　解决方法及效果
3 o  e& l! K. U) g( b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
% V3 w" i4 R) P2 E( g' x" p& k' F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
3 T# z8 s* G3 p% h: A器温度降低, 增压空气进主换热器温度升高, 两者
% N! o" ~8 R# E' K趋于一致, 避免主换热器热端的温度交叉, 使换热
' M+ l5 \8 K: i+ p6 s" h- T  I6 k) Z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
3 j" ?# S5 P* ^( q. O  g+ E+ x$ Z  ]1 z9 K正流空气的进口温度, 否则将产生温度交叉, 使部
! |6 T+ [6 i' p0 I, z/ `9 |  o% v9 q分传热面积失去传热作用。调整后主换热器热端温
8 R" w, \8 n( i, G6 m" M差缩小至3 ℃以内。
4 　结束语
产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
" [7 X1 e6 y: p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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