主换热器热端温差过大的原因和处理

流云天下

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、
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。
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
膨胀机的空气温度由3 台主换热器中抽空气的混合
- @9 @2 ?0 m0 b$ Y" [2 z# C% ]温度决定, 各换热器的增压空气量不设调节手段。
' C6 v! [2 K' L  |! H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
2 y2 k9 f1 b: w5 R$ a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
, S1 a6 I; X" `# a8 e变化较大的空分设备。从操作和调节方面考虑, 增
压空气还是采取两抽口为宜。
/ ^8 _5 ]+ h7 F) X笔者公司也只设计了两种规格的此类主换热
; ]7 A8 l! \9 g6 W# z8 R( D+ {# K$ M器, 一种用在了2 套6500m3 / h 空分设备上, 另一
种用在了1 套6000m3 / h 空分设备上, 实际运行亦
: t1 N2 k' }! f* S1 u都达到了设计要求。但后来设计制造的所有空分设
9 j. M. o. Y$ S" ]' i$ l& \备都采用了增压空气两抽口设计。
9 }$ u9 t; t5 x2 P# E  n6500m3 / 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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+ X& U6 ^1 W( Q图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
% C$ w8 H, s  N# o3 R. s* E/ f2 　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
- q1 R5 d, a! w/ e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
: Z: q; f, n; `( Z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
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
% W) x7 m9 ^3 O4 |! c$ }2 p4 L温度比正流空气进主换热器温度低718 ℃。因此主
: I9 w- ^+ U0 D7 @1 c% `; }换热器热端温差偏大的原因非常明确: 由于操作人
" S# S( h( R: X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
' ~8 C/ x+ h+ _, U, Z' c5 \要指出的是, 此时反映的热端温差也不是真正意义
+ d; G) x6 a/ G4 E' ~8 R$ U9 K上的热端温差, 真正意义上的热端温差指的是返流
; |$ T9 G  J7 g9 k* ?9 l4 a+ E气和正流气(含正流空气和正流增压空气) 的平均
. l( I3 G3 k0 a" L温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
* V9 i- }; c' @; l- i. m( {略小一些。
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
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
# Y$ J! \7 p+ ~" m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
9 b2 _- j) Y* t+ }) O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
阀V10、V11、V12、V13、V14 和V15 , 减小去增
# ?0 |/ }$ w/ x  z% b7 y6 O压机后冷却器的冷冻水流量, 增大去空冷塔的冷冻
( n6 t9 |0 a/ h! _5 s$ v8 }水流量, 适当调节冷冻水回水冷塔流量, 保证冷水
; a  U4 V6 i7 H: w( X) R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
面积得到充分利用, 从而有效缩小主换热器的热端
; T) ?6 b) k- [- d# ]1 O6 s; s温差。但应控制增压空气进主换热器温度不能低于
7 M( _7 \% D. j- q  V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。
- z. a# i  D7 O4 h) W( }) J4 　结束语
0 G- a1 H" t6 _产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
* t# A5 i5 o( ~2 y然而却有很多新用户的空分设备普遍存在这种情况。
  t0 ]8 A/ H. C: z3 Q; g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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