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
; l+ |  k5 D9 z% ]% H. d1 _2 C某6500m3 / h 空分设备采用分子筛吸附净化、
! N0 B/ C9 j0 i: g  W* m; o# n0 s( `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。
/ s. V, ?+ {4 O4 c$ U6 O0 H9 Z5 A热端温差可利用正流空气阀V1、V2 和V3 来
& M- W5 k" r7 `4 G4 K- S) W! ^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。
! \$ t- H3 d9 j9 `. j0 g. z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
7 h: c  N( p* j3 c3 K( O) M较多, 而国内较少采用。从换热角度考虑, 取消增
( g8 y: X. G9 z* n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
, T$ e0 v! [* `* ^7 ]# Q+ m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
$ R2 y) p+ h) e1 d% a- m变化较大的空分设备。从操作和调节方面考虑, 增
& Y! ^" s* s! `8 I! f, K- R' i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
& b; U. M) P7 R$ ?6 w器, 一种用在了2 套6500m3 / h 空分设备上, 另一
; T# n7 x" T  h0 ~种用在了1 套6000m3 / h 空分设备上, 实际运行亦
, x4 R5 A  d9 x都达到了设计要求。但后来设计制造的所有空分设
! {; U6 {: D5 B5 b$ N备都采用了增压空气两抽口设计。
$ ~" w0 ^$ i/ Z4 T" t2 M! G( K6500m3 / 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 l( a  h5 X3 W～5 ℃, 而其设计值为3 ℃。
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图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
  t5 D4 i" V# r! x4 k2 　原因分析
造成主换热器温差偏大的原因可能有3 个:
& A4 p2 U1 B0 O4 `' h  f(1) 没有膨胀机进口空气温度调节, 且主换热
! v5 S) a. x: M+ @器中间抽口位置设计不合理。之前采用的主换热器
: A4 }/ `. `; a6 y9 r5 g增压空气抽口都有上、下两个, 进膨胀机温度可根
( f  @0 n6 i4 e据需要在一定范围内调节, 还从未采用过这种不带
$ ?% Y) P- i) l9 C$ ^温度调节的主换热器。
# L8 d/ C4 }, D, z, h(2) 换热器设计余量不足。因为通过计算发
0 d+ a; z- C& @现, 以前主换热器所留设计余量普遍偏大, 故此主
: i# }5 y  A$ q- n换热器设计时作了适当的减小, 尽管理论上亦留了
9 y3 X& v3 g( ?1 s: ]& c7 Y. I: i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
# }& g& m% o& s+ d温度比正流空气进主换热器温度低718 ℃。因此主
( a' u( R$ \& K. F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 f. {# H& b6 `4 O' [9 W+ ~越低越好, 未对空气预冷系统进行优化调整, 导致
9 u1 `4 ^  V. a0 n) X5 s主换热器热端发生温度交叉, 使热端温差变大。需
+ _0 X! A- A1 y8 q9 y要指出的是, 此时反映的热端温差也不是真正意义
" s' H# m& ~9 X4 t1 x' p上的热端温差, 真正意义上的热端温差指的是返流
5 X% h9 Z) l, K1 [) }气和正流气(含正流空气和正流增压空气) 的平均
8 m$ s3 \5 J! l+ V. ^/ |4 J温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
, |6 g5 D! R, J$ i/ x( F' ]+ _; @略小一些。
产生这些现象的原因很简单, 在主换热器热端
7 n- q! H& W. ^' D0 l3 A" y5 g; z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
; F0 D. K5 U- b- ]热, 反而被其冷却。这样返流气一方面受到比它温
" h8 n& ~$ N1 p. o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
( x1 X3 l  D# ~9 F) N5 ]# c+ s增压空气所占比例越大, 增压空气和正流空气温差
# v2 W' g8 ~, u9 z5 h越大, 对主换热器热端温差的影响也就越大。
) v: \; {& `9 H7 M  e4 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
阀V10、V11、V12、V13、V14 和V15 , 减小去增
- j8 P$ c! A5 T* Z% i# Y6 n8 i2 a压机后冷却器的冷冻水流量, 增大去空冷塔的冷冻
4 i' ?2 d7 P$ m% Y水流量, 适当调节冷冻水回水冷塔流量, 保证冷水
# p7 G7 ]' l, O) l( i机组在设计工况下运转。从而使正流空气进主换热
* c: U* ?: s( |: v. [9 t器温度降低, 增压空气进主换热器温度升高, 两者
8 \7 z) k8 I. E. h. m2 q) `趋于一致, 避免主换热器热端的温度交叉, 使换热
5 D7 p" u# @$ c/ |+ ?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
7 _* {# p3 M4 L6 Q分传热面积失去传热作用。调整后主换热器热端温
, G+ d" X& w9 x; S6 i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,
然而却有很多新用户的空分设备普遍存在这种情况。
  H% L" `# l: h- t' Z( u% J大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
- Y  r5 `6 L, t最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬
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