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、
2 w6 `! l# ]3 [" p6 u% z增压透平膨胀机及全精馏无氢制氩外压缩流程, 主
. G# l  V( p/ G" k( ?) x2 w. U6 s换热器为分体式, 有1 台氧换热器、1 台氮换热器
. H6 I5 K9 f% H  Y0 |+ E和1 台污氮换热器组成, 其流程如图1 所示。
9 R$ x. o( y$ f  p7 L- m7 x热端温差可利用正流空气阀V1、V2 和V3 来
: u) r: B$ H7 y) D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。
7 L+ j" I; d! H# x! m- p: u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
0 b7 V! Q: o  `: X较多, 而国内较少采用。从换热角度考虑, 取消增
( T+ Z' k6 o2 ]压空气下抽口后, 只要抽口位置设计合理, 可以满
. c4 G# j, n2 v6 K) U0 M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
5 R7 \3 q  n$ G' K. q种主换热器不适宜用在较小规模和对液体产品需求
" U( `  \# F3 U0 c# [变化较大的空分设备。从操作和调节方面考虑, 增
5 `+ {" `( W# O$ o7 F+ l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
6 k$ q5 ~: ]' ~. g$ N' 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
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 ℃
～5 ℃, 而其设计值为3 ℃。
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图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
0 p. w6 g% ?& n/ t! V0 g& j- d; Z2 　原因分析
- y' o2 Q* F% T; W5 P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
4 h1 k. W' e( m9 R/ r" Y/ H) c( R器中间抽口位置设计不合理。之前采用的主换热器
6 m' i0 W" y- n! f) m4 F增压空气抽口都有上、下两个, 进膨胀机温度可根
) E# \, A& o% o6 {! ~据需要在一定范围内调节, 还从未采用过这种不带
9 `4 I  h& V+ N9 f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
8 |! C4 l/ ^& V) {. B% Y& q/ i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
3 ]" }( w; m2 u, z8 U8 k9 w9 d足够的余量, 但与以前同规格主换热器相比偏小。
7 G4 Y: Y. m+ K5 A2 X' ?(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
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
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
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
& _+ f9 a4 f% G2 r% r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
4 K: b. g" {" c6 n+ B# P" l的某一断面, 返流气的温度和增压空气的温度相
" e" U9 t5 D  _8 F( E. x等, 而过了这一断面, 返流气不再被增压空气加
5 T2 ~/ Q: ~0 ^5 T( p热, 反而被其冷却。这样返流气一方面受到比它温
2 k+ T8 a3 E, c8 W度高的正流空气的加热, 另一方面又受到比它温度
" r5 ]' D9 T9 X1 M+ o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
增压空气所占比例越大, 增压空气和正流空气温差
+ L2 v, W* T2 S( k/ S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
( q) k2 u" ^* v+ C压机后冷却器的冷冻水流量, 增大去空冷塔的冷冻
* G$ Z) \% ^4 ^6 T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 F" d+ P4 C% c0 E, F7 M7 |: G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
6 _: e, h) @: h1 @6 S; O面积得到充分利用, 从而有效缩小主换热器的热端
( l. P( }2 f( |  a, W6 s9 r温差。但应控制增压空气进主换热器温度不能低于
' i8 V  Q7 R2 m  U7 n4 m( i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。
8 R7 f; E% v! @5 j4 m' T4 　结束语
- b- T; a- Z7 z; A产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
' S  _6 T. _: I3 H0 M' I* @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,
: ]+ V2 Y2 I: Q' r最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬
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