主换热器热端温差过大的原因和处理

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( Z" E, x8 \; G3 f* @: G1 　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
& Z% C) \  I/ a, z& k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
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
节的主换热器, 因对设计要求较高, 尽管国外采用
% ?" T( b& b' B+ r) T$ L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
* s6 k7 N6 u  }8 c足6500m3 / h 空分设备的启动和正常运行, 且可适
1 Y8 w6 s3 E  V! I' S7 Q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
1 C, {) |( D+ {8 \9 c% {) x变化较大的空分设备。从操作和调节方面考虑, 增
7 T2 K9 L9 a* k  b压空气还是采取两抽口为宜。
/ ?( j4 t: d, F7 e( j7 _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
种用在了1 套6000m3 / h 空分设备上, 实际运行亦
4 @) o5 q7 R+ W都达到了设计要求。但后来设计制造的所有空分设
  v8 h* Q. x  m4 u备都采用了增压空气两抽口设计。
1 N& x+ Q5 W- f8 f- U1 F/ t6500m3 / h 空分设备开车运行后, 主换热器热
$ @0 J& s/ W: D' f8 b0 E+ y端温差一直偏大。返流气和正流空气温差达414 ℃
4 \! ]; V: S" U" X' {. Y9 Q' Y～5 ℃, 而其设计值为3 ℃。
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. y( d  k) a6 }图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
2 　原因分析
8 r5 P6 S/ t/ n5 D- V* R( p造成主换热器温差偏大的原因可能有3 个:
  l% ^/ I9 `# o0 B. F6 ](1) 没有膨胀机进口空气温度调节, 且主换热
% e. p. q; e5 ^1 Z( g9 I器中间抽口位置设计不合理。之前采用的主换热器
2 f$ [: c+ H$ ?6 x# E增压空气抽口都有上、下两个, 进膨胀机温度可根
3 d" O  O+ w7 m4 A) T! `& |3 q据需要在一定范围内调节, 还从未采用过这种不带
8 q- `6 i$ t3 z& b5 Z1 e( y温度调节的主换热器。
4 G2 _7 s5 w7 z2 j7 Q(2) 换热器设计余量不足。因为通过计算发
5 N8 L* H: w. Z9 U! x. _4 Y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
! }: c) s5 z1 B4 S9 Z& }, 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
- p9 H. Q% q4 A) G# i- p6 F+ y温度比正流空气进主换热器温度低718 ℃。因此主
3 A! u" E8 F( s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
7 n" A! u7 Z. K" B越低越好, 未对空气预冷系统进行优化调整, 导致
) W. ~2 K" D( @% W) b' E# a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
( }5 o2 H3 O% I( t- Y. Z3 }- S$ f气和正流气(含正流空气和正流增压空气) 的平均
温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
/ q# t6 S5 s) q+ \( x+ A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
/ ]2 K( R4 R# ]4 U等, 而过了这一断面, 返流气不再被增压空气加
2 G* O  E& S6 e7 ?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
& C) W, J7 t0 ]) Q0 o1 \5 D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
7 l9 m/ m! d0 O& Q# [$ _  U  F越大, 对主换热器热端温差的影响也就越大。
1 I8 u; X) ^! r4 ?2 ^3 　解决方法及效果
5 I2 e4 z0 A2 Z/ m$ v/ d' s8 \对空气预冷系统工况进行优化调整, 通过调节
& j! K9 Y2 O7 v1 K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
) r  `- b5 g# y4 H7 q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
4 `5 a( u! C- \% A% c' i$ ^% ^2 p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
" s' [7 d* V0 a  p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
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
* P. d7 h3 d8 i/ i产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
然而却有很多新用户的空分设备普遍存在这种情况。
& T- C8 M8 B3 s  h* ?0 @2 A大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
+ p2 D. M4 h# L: k5 ^+ G% o! v最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬

积极参与，共同提高