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
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
! [+ A: N: D5 f/ @( Q. u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
4 I) a; _4 o0 Y3 z9 b3 w; G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
( A; |/ o" p1 s压空气下抽口后, 只要抽口位置设计合理, 可以满
- C1 C7 c/ x0 b7 q0 e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
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
3 `7 @+ P2 n, h0 Q3 a器, 一种用在了2 套6500m3 / h 空分设备上, 另一
# B  D+ ~" m7 H- F2 Q; k! y- u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
端温差一直偏大。返流气和正流空气温差达414 ℃
# f% K4 l5 D$ U6 I, ^1 S～5 ℃, 而其设计值为3 ℃。
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! K4 v$ l) q+ o4 A! b# ~1 \" J5 W图1 　6500m3 / h 空分设备流程简图
; P! w, r) z" @1 |2 　原因分析
6 ^( G# r9 R1 Q7 b8 g% N造成主换热器温差偏大的原因可能有3 个:
7 M# q( G9 ^$ z- M8 n( U# C(1) 没有膨胀机进口空气温度调节, 且主换热
: @6 s# e3 J. Z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
6 x2 }# e3 f. N9 R! M' e( v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
现, 以前主换热器所留设计余量普遍偏大, 故此主
4 Z4 ^" m# c2 d9 [/ n3 c换热器设计时作了适当的减小, 尽管理论上亦留了
) o& E% z, g, C% b  T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
温度比正流空气进主换热器温度低718 ℃。因此主
换热器热端温差偏大的原因非常明确: 由于操作人
, L: \/ F2 v- H+ Q) \8 k$ y员主观认为只要是热流体, 其进主换热器的温度就
; [) V: I; Y+ p; f. F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
; N' J/ N- z5 k& M+ l, h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
& s6 f- A1 v/ x温差。实际的热端温差应比所反映的414 ℃～5 ℃
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
+ |+ s' W. _! g2 f' v/ a0 q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
低的正流增压空气的冷却, 换热面积得不到充分利
; t! s/ L5 L- [/ s0 m' A) W- ?7 p用, 造成热端温差加大, 增加了不可逆损失。此时
- }! N$ ~; O+ J# n8 c# }增压空气所占比例越大, 增压空气和正流空气温差
9 j7 B8 r, t) D8 C/ S7 O越大, 对主换热器热端温差的影响也就越大。
5 A: M( R4 f0 t2 ]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
2 F& ^" J! z; f8 c阀V10、V11、V12、V13、V14 和V15 , 减小去增
4 F5 M- f5 i9 J8 n压机后冷却器的冷冻水流量, 增大去空冷塔的冷冻
. O2 o$ S5 ~) v1 u5 r水流量, 适当调节冷冻水回水冷塔流量, 保证冷水
6 {( _4 l5 h# }4 p( S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
9 U5 T8 R1 J$ p; |  Y2 }2 l9 g5 @趋于一致, 避免主换热器热端的温度交叉, 使换热
% ]2 a5 A: j$ L# I( i9 h/ H% v面积得到充分利用, 从而有效缩小主换热器的热端
+ f, O7 N. g, O/ P  F- h1 D. f温差。但应控制增压空气进主换热器温度不能低于
% U( C/ D2 g2 w8 [# y; N% @' d. e正流空气的进口温度, 否则将产生温度交叉, 使部
1 k2 I. o+ y, {: m6 M5 i* q; x分传热面积失去传热作用。调整后主换热器热端温
% Y1 Y; U( @1 Y2 U- K差缩小至3 ℃以内。
0 ~9 x- o; C- w' D- H8 {4 　结束语
: _9 v1 a4 ^  G+ j4 y. j& O+ 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。
, m6 {2 O+ L0 h$ T- h: n2 o4 d大家要对此引起注意, 精心调整空分设备运行工况,
% ]5 _: A( M% y6 j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