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、
1 x* o8 |5 z. Q" H; L增压透平膨胀机及全精馏无氢制氩外压缩流程, 主
8 @: \3 n- S1 U+ Y3 o: O3 F! D换热器为分体式, 有1 台氧换热器、1 台氮换热器
# C, V7 D7 p3 @9 J8 O+ c和1 台污氮换热器组成, 其流程如图1 所示。
& j. [" Y( ~) G% E热端温差可利用正流空气阀V1、V2 和V3 来
7 w: f+ h: \& Z7 O: f# r* |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。
3 ]7 _5 E, g7 x, O) j因只有1 个抽口, 进膨胀机空气温度亦无法调节。
9 \. Z( O! E6 {, G6 {# x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
: `/ S3 ?4 K/ B6 L0 g8 [2 n/ Z较多, 而国内较少采用。从换热角度考虑, 取消增
. L" X& A) I% d/ m1 K- @% _9 O; 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
9 C8 ^  v& n' Y, ^* }7 k, R8 f! k当提高增压通道下部的利用率, 有利于换热。但这
& p6 H9 p1 I4 ?3 O# S种主换热器不适宜用在较小规模和对液体产品需求
# `7 k, m9 s: J& ?变化较大的空分设备。从操作和调节方面考虑, 增
- ?8 }+ Z/ z; S2 z压空气还是采取两抽口为宜。
7 o$ r0 }" m" _  q/ h7 e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
7 e  V8 M" x& w" q1 Z2 |; E种用在了1 套6000m3 / h 空分设备上, 实际运行亦
, f" q  A+ S1 r, C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。
+ i, \9 s& a8 u9 c0 u: n7 U1 x6500m3 / h 空分设备开车运行后, 主换热器热
- P# {  T8 t1 a. d( k5 S9 @端温差一直偏大。返流气和正流空气温差达414 ℃
1 t) a( I$ `# M' e/ v9 ~9 ]8 q. y7 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
1 R0 Q7 l% j5 b4 f7 {" W# |2 　原因分析
造成主换热器温差偏大的原因可能有3 个:
( s8 a6 x3 o. e. z9 c(1) 没有膨胀机进口空气温度调节, 且主换热
4 r6 |! g  w. S5 [/ A9 t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
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
' [1 a% L1 O! |7 l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
/ V: j; z3 q. v; A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
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
- S( B& e0 X3 Y! \( |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
' a7 k4 w1 i; v- T3 h5 m温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
& n. \9 A' d% I4 i0 d1 w: a! w" F略小一些。
产生这些现象的原因很简单, 在主换热器热端
: g: B) J2 z' b4 P* R4 u6 ]4 ?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
热, 反而被其冷却。这样返流气一方面受到比它温
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
4 K3 V1 L5 w# \& `8 z用, 造成热端温差加大, 增加了不可逆损失。此时
( S5 ^2 J& M. W: n$ J2 {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
对空气预冷系统工况进行优化调整, 通过调节
! C, x% L: m! c6 p6 S/ {9 M2 f) H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
/ z/ a6 _1 M; s9 _- U- v2 d1 s' A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
9 ]' ~/ k4 `6 y5 g& R趋于一致, 避免主换热器热端的温度交叉, 使换热
- T$ n9 ]- J5 |( {" N2 m" n" K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 d9 t1 q  n1 r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 D4 Z4 |% |3 N" z$ i1 v) M4 　结束语
产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
. g/ X$ Y& m/ G- Z8 g. @8 D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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