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
) `) K8 R) K7 R9 a" }" N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
+ s( q& q9 o# y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
' ?  s; L, `- S) f0 m: T膨胀机的空气温度由3 台主换热器中抽空气的混合
- X( q3 i0 A$ @! T$ ~温度决定, 各换热器的增压空气量不设调节手段。
* g( n" H2 `) M) F因只有1 个抽口, 进膨胀机空气温度亦无法调节。
' n2 Q0 l, S. k. X. T& T/ X9 S3 i. ~. L" O此种增压空气只有1 个抽口、不带中抽温度调
1 }: q6 z9 Z! d# z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
压空气下抽口后, 只要抽口位置设计合理, 可以满
9 t. c/ c, e  d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
. T! E4 x! B: F. c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。
2 ]+ a. R  n- S3 g笔者公司也只设计了两种规格的此类主换热
$ a9 z" I& H4 y0 W  ]# y8 U器, 一种用在了2 套6500m3 / h 空分设备上, 另一
; u8 X. q9 Q0 ~种用在了1 套6000m3 / h 空分设备上, 实际运行亦
; B/ A" T- x7 F6 J0 ~都达到了设计要求。但后来设计制造的所有空分设
5 q: t! z9 J+ `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
7 ?  l! ?* P9 b% r: T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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* F3 g  u4 y# }/ \% O3 h图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
4 |( Q2 @( i- F2 　原因分析
造成主换热器温差偏大的原因可能有3 个:
* k: G  w0 r& P, V; b(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
增压空气抽口都有上、下两个, 进膨胀机温度可根
! _% t; Y! I+ e1 ^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。
+ ?8 u0 t# r# c9 y1 x8 h(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
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。
4 V3 q0 o2 F0 W, i! U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
7 @9 _/ H7 Y0 A" C' v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
4 X3 c4 K+ F' ]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
& \" }0 S; ^4 R; I' S( }1 k3 b气和正流气(含正流空气和正流增压空气) 的平均
) Q; Y# v# w0 s; u& D9 _% }温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
, W3 V1 Y+ d% U, F4 P) Z* l8 V略小一些。
产生这些现象的原因很简单, 在主换热器热端
! M. |( B) Z! A: O2 U的某一断面, 返流气的温度和增压空气的温度相
! u/ {3 c4 ~5 Q8 q1 F5 V# [# W  f! w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
- ?9 i8 A. X; K1 ?- k- G& X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
1 h  F1 y! {. N* S" ~( q: B% N增压空气所占比例越大, 增压空气和正流空气温差
  L7 e. H% o( A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
0 U: H( S$ h' r2 o/ X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
4 n7 w7 D5 q4 m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
* m1 E/ _: {5 w* r* T+ e: V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
. L" U  M9 N$ _# @, e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
正流空气的进口温度, 否则将产生温度交叉, 使部
; q0 F) V2 h  Z; _* H分传热面积失去传热作用。调整后主换热器热端温
) {; e- F5 N1 ^) _% c差缩小至3 ℃以内。
4 　结束语
* A9 X# s" r* H+ [: ]( {* @: u% w. ]产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
, A8 `8 a- \+ b8 a然而却有很多新用户的空分设备普遍存在这种情况。
8 k. ~/ M- X, ~" [* B8 L1 s- [9 V大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
% V" S9 ^1 B5 i' s5 G% d最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬
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