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
$ H' o. [. H% ~. z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
5 {0 U* Q$ k$ [9 ?和1 台污氮换热器组成, 其流程如图1 所示。
$ `$ S2 M5 _$ y" w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
% o; G, R: I% m! e: E3 q( Q4 P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
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
- b! z4 ?3 d) ~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
6 B  g+ B  Q0 W+ s; p1 K当提高增压通道下部的利用率, 有利于换热。但这
3 }  \& w; h" D4 @1 P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
0 h" J/ h: H) t1 G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
器, 一种用在了2 套6500m3 / h 空分设备上, 另一
# S+ j! C/ ~. B" p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。
, n' g( a$ ?+ _6 c* _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 ℃
～5 ℃, 而其设计值为3 ℃。
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) |& n! o0 M9 |* S. e  J1 U$ I图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
6 x) g5 ~. b6 _& [# A. Q# ~) {2 　原因分析
造成主换热器温差偏大的原因可能有3 个:
- [- f- M& B9 C8 K+ O) h; K: Q(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
增压空气抽口都有上、下两个, 进膨胀机温度可根
! L+ ~, G- B+ A) {0 a: ?3 y据需要在一定范围内调节, 还从未采用过这种不带
- R5 }3 a) `# ~4 m$ e  ]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
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
& K; U) S( u+ G0 g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
3 G* I( Q- u5 ]& ]* C温度比正流空气进主换热器温度低718 ℃。因此主
2 V' ~6 l0 d. ^8 f- N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
越低越好, 未对空气预冷系统进行优化调整, 导致
2 k! f. h! q' V% x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
上的热端温差, 真正意义上的热端温差指的是返流
0 j- o7 C. o7 z气和正流气(含正流空气和正流增压空气) 的平均
# ?4 L3 h' Z& B8 m, P# a0 I8 r6 c温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
略小一些。
9 u( ?- S, c7 `, ^, A4 B) J. [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
5 F% s$ Z6 j* X8 Y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
6 U% c' m! y8 D0 L$ `. c( ~# ]度高的正流空气的加热, 另一方面又受到比它温度
0 a' s! V% \* ]( I2 S8 a6 X- U低的正流增压空气的冷却, 换热面积得不到充分利
8 v+ {2 O2 R, T! F& s用, 造成热端温差加大, 增加了不可逆损失。此时
  l& m5 s! I# g2 I4 I3 i7 V9 {( h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。
% }: S0 U8 U/ ~) o& G/ [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
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
1 A2 k% n9 K7 |1 n9 s* e" V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
- o: p' l0 g9 E3 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
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
+ `: @  [% i0 o' }2 d9 {/ I& {产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
/ x- s, U* H2 r) h; ?6 m2 w然而却有很多新用户的空分设备普遍存在这种情况。
& ^& ^$ d+ S& U' P2 \大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
; {1 a2 F  v8 G/ C最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬
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