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
$ z7 u7 y5 g5 ~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
3 J" `" H, e+ K& q/ d和1 台污氮换热器组成, 其流程如图1 所示。
( ]* l0 r* D* Z5 w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
/ p& G/ k6 m: c6 s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
较多, 而国内较少采用。从换热角度考虑, 取消增
3 u( Z9 T+ E% f) H: x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
1 y4 G- T: v. ]! z- @& v种主换热器不适宜用在较小规模和对液体产品需求
变化较大的空分设备。从操作和调节方面考虑, 增
! u, y: n) F9 D" L& W/ T/ Y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
/ J! N1 w5 y' _! ~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
* Y9 P/ l8 b+ ]8 [; @端温差一直偏大。返流气和正流空气温差达414 ℃
9 }' J3 u) |, Y* x～5 ℃, 而其设计值为3 ℃。
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  \' b+ Z) g/ H2 d图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
2 　原因分析
- C2 _2 H" o" a1 w' N) |, t造成主换热器温差偏大的原因可能有3 个:
) r; O5 S2 U% G0 v(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
8 l" Y; \* t/ |% G7 D8 ?增压空气抽口都有上、下两个, 进膨胀机温度可根
, ]/ `! ~7 f) I" |! R" N8 O- n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 U" V1 c/ t$ h(2) 换热器设计余量不足。因为通过计算发
& e4 V; Q8 Y5 j8 R+ B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
0 {! g+ u, K( `. y) ?足够的余量, 但与以前同规格主换热器相比偏小。
1 ?6 p% a/ \3 Z3 B(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
: x/ ~2 W3 J5 ]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
$ m  i/ o* Q! d- `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
温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
/ h$ t1 Q/ Q' I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
. p8 h6 H- |2 M- O4 }4 I) W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
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。
. z  M' [# |8 u( C2 y1 f3 　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
3 J7 X5 v3 T7 [: }. I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
机组在设计工况下运转。从而使正流空气进主换热
/ k) s) n2 p1 J; a器温度降低, 增压空气进主换热器温度升高, 两者
3 u0 b. t% M" t8 _( z" }+ V" F, t趋于一致, 避免主换热器热端的温度交叉, 使换热
0 d3 y( z% c  T  D, C: o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
& J  h9 X) G) E6 [: h2 Z正流空气的进口温度, 否则将产生温度交叉, 使部
6 S2 p& g* k6 M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。
( l- j8 e7 R: y. f9 v9 p4 　结束语
  v& `0 q" o) W产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
2 ^; w$ U$ P2 `6 R) V( a0 p* V然而却有很多新用户的空分设备普遍存在这种情况。
3 F4 y6 V# z$ U- u大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
: L- F/ \+ @0 C1 X最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬

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