主换热器热端温差过大的原因和处理

流云天下

% o( G( J6 C4 \0 e3 A* i( E1 　主换热器热端温差偏大现象
+ H" Z8 c* }$ P1 ~# z某6500m3 / h 空分设备采用分子筛吸附净化、
) d/ _8 K" F% i1 x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
4 m  M6 y* L# x1 J; R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
& D& B) R) F* u7 I$ e" r; q节的主换热器, 因对设计要求较高, 尽管国外采用
+ B( Z; k# [2 x8 M8 Z4 e2 h$ S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
* z2 h) w$ g# Y. a* Y: R3 i4 T: i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
变化较大的空分设备。从操作和调节方面考虑, 增
5 V: ?) \- E$ {* k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
% {% ?/ u& ~' ^器, 一种用在了2 套6500m3 / h 空分设备上, 另一
2 S7 G* j- N# j  K1 O种用在了1 套6000m3 / h 空分设备上, 实际运行亦
6 X0 u- d) ~4 G都达到了设计要求。但后来设计制造的所有空分设
8 {# t6 [8 D; U0 h2 B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
  j3 |3 x: E9 n: g; w端温差一直偏大。返流气和正流空气温差达414 ℃
, ]: H, h1 H$ b4 C6 ~～5 ℃, 而其设计值为3 ℃。
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图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
- q6 ]  V  I9 B/ J- H* d2 　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
8 X" \: m% M1 {9 o  B4 E器中间抽口位置设计不合理。之前采用的主换热器
) R# W7 v- K& a4 O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
. p+ `7 `. O4 ~# G3 P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
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
3 q2 W- \/ S8 d5 ?) ]足够的余量, 但与以前同规格主换热器相比偏小。
6 f1 y0 p! }  @- x8 P(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
( E. G1 x& z& t+ X7 I, D7 I( M温度比正流空气进主换热器温度低718 ℃。因此主
4 l& ^* P8 b6 V- ^9 O, D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
; W4 k; A) N1 h0 i# |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
+ ~) x; Q, A# n! w, d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 ℃
& L0 p+ q. V! U* Q) C  p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
3 ~! X# S* ~8 z& H热, 反而被其冷却。这样返流气一方面受到比它温
% G1 Q. U2 `. ?- J: i$ a, K度高的正流空气的加热, 另一方面又受到比它温度
! o* p6 \1 R6 L: E' y6 F0 G4 C低的正流增压空气的冷却, 换热面积得不到充分利
' K4 |! `  {/ y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
, ?- I; t% x/ E1 Q: G% H; U9 y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
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
! q: Y5 O+ y. p/ [( T6 G' i1 f器温度降低, 增压空气进主换热器温度升高, 两者
6 w& B0 g3 d4 V7 t8 R" D) [7 ~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
分传热面积失去传热作用。调整后主换热器热端温
8 R+ R! h5 C4 `$ V差缩小至3 ℃以内。
( ?2 w$ F$ }% ^* x, L$ X$ n, P8 s4 　结束语
产生主换热器热端温差偏大的原因非常简单,
, a2 d! Q. O$ r% e然而却有很多新用户的空分设备普遍存在这种情况。
6 L! N3 h$ @/ k/ h0 Q大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
! g7 m  k& w- A3 ?) \% g最大限度地降低整套空分设备的运行成本。¬

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积极参与，共同提高