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
某6500m3 / h 空分设备采用分子筛吸附净化、
( _) D3 h6 A/ W2 p, e- ]增压透平膨胀机及全精馏无氢制氩外压缩流程, 主
$ g! o) V! D9 j* T6 ~( j换热器为分体式, 有1 台氧换热器、1 台氮换热器
1 \" H+ V; q6 F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
5 t* Q" h+ j+ i; ^- J" Y膨胀机的空气温度由3 台主换热器中抽空气的混合
6 ^% L. ^. U# U3 f2 [" d% m# D: M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
  s& l3 s6 C& F4 o+ k节的主换热器, 因对设计要求较高, 尽管国外采用
7 ]; p( A" H" W1 O较多, 而国内较少采用。从换热角度考虑, 取消增
2 F5 {+ X6 u$ j, d% m" @& O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
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
# m& |! X7 X7 Q0 ?! R7 C2 G" ?3 g变化较大的空分设备。从操作和调节方面考虑, 增
/ M6 ^5 @7 b6 K* U' I压空气还是采取两抽口为宜。
% |6 R% y; ~' L笔者公司也只设计了两种规格的此类主换热
% m* p6 I1 t# k) P, T* `# L! T$ y器, 一种用在了2 套6500m3 / h 空分设备上, 另一
8 p4 J5 a3 G4 ?9 O  k- U; Q种用在了1 套6000m3 / h 空分设备上, 实际运行亦
- f  i9 D+ k6 A) ~9 X. J+ o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。
3 F  N! a7 Z0 T0 n6500m3 / h 空分设备开车运行后, 主换热器热
0 w+ e4 g( d  |/ z! I2 N4 v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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5 K: G7 d8 @1 [! g7 M! J: r图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
" E0 j% p7 m2 ~0 p  z& V, Z$ Q2 　原因分析
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
+ r1 z: w) w: z/ ^7 G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。
! r5 P( P/ P* I# t; J(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
( q& N; p  |* o! W换热器设计时作了适当的减小, 尽管理论上亦留了
9 A' }" [0 j! y/ T足够的余量, 但与以前同规格主换热器相比偏小。
+ e) g% o, q% W+ I$ T(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
/ R8 h' F; D0 O0 v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
; b7 H  |9 s8 r% O7 u. X员主观认为只要是热流体, 其进主换热器的温度就
/ N! W3 H, ?* B4 c3 i- }8 M$ d越低越好, 未对空气预冷系统进行优化调整, 导致
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
4 L* |* r2 N9 ^' g" V( z* a上的热端温差, 真正意义上的热端温差指的是返流
1 B. c% |3 u+ A( R' l气和正流气(含正流空气和正流增压空气) 的平均
( R3 J' E& F& c7 y4 W1 o! `温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
略小一些。
4 I8 N% {9 W; C产生这些现象的原因很简单, 在主换热器热端
7 v7 M! T0 p( r' F的某一断面, 返流气的温度和增压空气的温度相
% \3 Q. d! x& N& w7 w, K* k等, 而过了这一断面, 返流气不再被增压空气加
& o! J' O, D0 Q. z0 _4 I8 y7 K. u7 c热, 反而被其冷却。这样返流气一方面受到比它温
4 w+ b4 k- w0 w% O) h1 d% Y+ q3 Q度高的正流空气的加热, 另一方面又受到比它温度
# s+ G$ p/ V- Z& k" A低的正流增压空气的冷却, 换热面积得不到充分利
; r) g. d' J: R! t# B2 f0 a2 q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
3 w8 ?# W! h' _7 H& A/ A7 z/ o越大, 对主换热器热端温差的影响也就越大。
' i, I: B$ w3 t- B0 Z* a1 b3 　解决方法及效果
( h( w/ c7 j; T! H- {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
9 G& p2 F2 u/ ~! j压机后冷却器的冷冻水流量, 增大去空冷塔的冷冻
+ {- Y/ A0 W3 _2 N3 h7 _水流量, 适当调节冷冻水回水冷塔流量, 保证冷水
- T- H7 p: D- {* a% b( |6 n8 B+ h机组在设计工况下运转。从而使正流空气进主换热
" d+ o" x: o% q' S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
温差。但应控制增压空气进主换热器温度不能低于
1 q/ _" l$ R# f  Z; N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
产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
8 S; U& X; b" y  h7 u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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