空分設備換熱系統效能影響因素分析

葛偉偉，王 釗，王 波，張志成，李晨旺

(酒泉衛星發射中心，甘肅 酒泉 732750)

1 前 言

將熱流體部分熱量向其它設備傳輸(如冷流體設備)的設備，從工業層面上來看，被稱為熱交換器，即換熱器。由上述設備所構建的系統稱為換熱系統?；ば袠I中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器、再沸器等，應用十分廣泛。對于空氣分離設備來說，其換熱器包括主換熱器、加熱器還有液化器等多種類型，并由它們組成空分設備的換熱系統[1]。

2 空分設備換熱系統的組成

根據換熱器中熱量傳遞介質的不同，可將空分設備的換熱系統分為3類[2]。

1. 油水換熱器。它包括兩個部分，一部分是空壓機油冷卻器，另一部分是膨脹機油冷卻器，主要以循環冷卻水為依托，從而冷卻潤滑系統回油。它們均以列管式冷卻器為主，油從管外進入，水從管內進入。

2. 氣水換熱器。它包括很多部分，如壓縮機一級冷卻器等，具體來說是以循環冷卻水為依托，進一步冷卻壓縮機一、二級排出氣體及膨脹機增壓端增壓后的氣體。二者皆采用列管式冷卻器，管外進氣，管內進水的方式。

3. 氣氣換熱器。主要是主換熱器、液空液氮過冷器、冷凝蒸發器，結構均為板翅式換熱器。其中主換熱器的功能以膨脹為依托來形成低溫氣體，從而進一步冷卻、凈化空氣。對于液空液氮過冷器來說，其功能以低溫液氮為依托，從而使汽液空溫度下降。對于冷凝蒸發器來說，其功能主要是根據氧氮不同壓力下的沸點不同，利用上塔低溫液氧冷卻下塔頂部高純氣氮，使其液化。

3 換熱系統效能影響因素分析

3.1 油水冷卻器的影響

該設備有兩大功能，一方面是確保壓縮機有效的運行，另一方面是確保增壓透平膨脹機有效的運轉。這兩大設備在運行時，由于摩擦會產生很多的熱量，若溫度過高，就會出現灼熱點蝕。例如，曲軸軸承為典型的滑動軸承，內部以巴氏合金為主，其材質軟，熔點低，若溫度過高，就會導致合金材料受損，致使軸承損壞。所以，必須通過潤滑油把產生的熱量帶走，潤滑運轉部件，減小轉動阻力。潤滑油吸收大量熱量，溫度升高，為使溫度下降，采用油水冷卻器利用循環水作為冷卻介質吸收熱量，使潤滑油溫度下降。由于它和加工原料氣等無密切關聯，僅會影響到機械設備運轉，所以，對生產產量無直接影響。

3.2 氣水冷卻器的影響

該換熱設備的冷卻介質以水為主，基本原理就是循環水通過列管管壁進行傳熱，從而消耗熱量。具體結構如圖1所示。在管內水流動過程中，由于離心力的影響，使得附加環流產生，強化擾支，放熱系數越來越大。通常來說，該設備以列管式為主，水從管內流動，管外以氣體流動為主。該設備中氣流有兩類，一個是原料氣，另一個是循環氣，前者和產品密切關聯，后者以制冷工質為主，它們和產品存在著緊密的聯系，對生產產量影響較大。

圖1 氣水冷卻器示意圖Fig.1 Schematic diagram of the gas-water cooler

影響氣水冷卻器換熱效率的因素有很多，主要是冷卻器設計方面的因素。作為使用單位，主要考慮其工況條件。在具體運行時，以1#壓縮機冷卻器開機運行參數為例，如表1所示。通過表1可以看出，在一、二次運行參數中進水壓力、進氣溫度保持不變。運行時，由于進水溫度不一樣，出水、出氣的溫度變化要大一些，所以，對換熱效果影響最顯著的因素之一就是進水溫度。

表1 1#壓縮機冷卻器運行參數Table 1 Operating parameters of the 1#compressor cooler

對于一、三次運行參數中進水溫度、進氣溫度是一定。進水壓力越大，換熱效果越好，在進氣溫度相同的情況下，出氣溫度要低一些，所以，對換熱效果產生影響的又一主要因素就是進水壓力。

3.3 氣氣冷卻器的影響

該換熱設備的循環工質主要以氣體為主。對于空分系統來說，不同氣體的作用存在著一定的差異。拿原料氣來說，最主要的是氧氮沸點不同，通過冷卻的方式使其液化，做精餾處理，將產品分離出來。此時溫度處于空氣液化溫度-173℃左右(工作壓力0.56 MPa)，循環氣膨脹完成后溫度在-182℃(標準大氣壓)，對其循環應用就要使溫度上升至環境溫度。它們盡管均為氣體，因為作用不同，需要在氣氣冷卻器中彼此交換能量。氣氣冷卻器一般采用板翅式換熱器，如圖2所示。

圖2 板翅式換熱器氣體流向示意圖Fig.2 Schematic diagram of the gas flow direction of the plate-wing heat exchanger

主換熱器是一種典型的氣氣冷卻器，其結構以鋁制板翅式為主。該換熱器板束由翅片、封條、隔板等部件組成。在相鄰兩隔板間，通過翅片、導流片、封條等部件組成一通道，對其進行不同的的疊積和適當排列，鉛焊成整體，以此獲取不同類型的板翅式換熱器板束，如逆流式等。在板束兩端，配置適當的流體出入口封頭(或稱集合器)組成一個完整的板翅式換熱器。翅片是板翅式換熱器最基本的元件，傳熱過程主要通過翅片來實現。

KDON-400Y/400Y型空分設備的主換熱器，其通道有4個，正流通道為原料氣和增壓循環氣，返流通道為返流污氮氣及返流膨脹循環氣。通過氣體間的能量交換，原料氣溫度從30℃開始下降至-173℃，出現汽液空，與空氣精餾分離要求保持一致；增壓循環氣的溫度由25℃左右降低到-138℃左右，為進一步膨脹降溫打下基礎。這一過程在氣氣冷卻器進行，交換能量的氣體有4股。

空氣換熱量計算公式如式(1)。

Q換=GλρΔΤ

(1)

式中，Q換為換熱量；G為流量；λ為干空氣比熱；ρ為干空氣密度；ΔΤ為干空氣溫度變化。

干空氣溫度變化根據公式(2)進行計算。

ΔΤ=t1-t2

(2)

式中，t1為干空氣進換熱器溫度；t2為干空氣出換熱器溫度。

根據開機生產過程中的數據，對實際氣體能量交換進行理論計算。

1. 增壓循環氣換熱量。已知循環空氣流量G為3500 m3/h；干空氣比熱λ為1.005 kJ/(kg·K)；干空氣密度ρ為1.293 kg/m3；進氣溫度t1為25℃；出氣溫度t2為-173℃。根據空氣換熱量公式(1)計算得出，Q1=GλρΔΤ=736 797 kJ/h，即正流氣體增壓循環氣換熱量為736 797 kJ/h。

2. 膨脹循環氣換熱量。已知循環空氣流量G為3500 m3/h(換算為標態下)；干空氣比熱λ為1.005 kJ/(kg·K)；干空氣密度ρ為1.293 kg/m3；進氣溫度t1為-182℃；出氣溫度t2為20℃。根據空氣換熱量公式(1)計算得出，Q2=GλρΔΤ=918 722 kJ/h，即逆流氣體膨脹循環氣換熱量為918 722 kJ/h。

3. 原料氣換熱量。已知原料空氣流量G為2500 m3/h(換算為標態下)；干空氣比熱λ為1.005 kJ/(kg·K)；干空氣密度ρ為1.293 kg/m3；進氣溫度t1為56℃；出氣溫度t2為-173℃。根據空氣換熱量公式(1)計算得出，Q3=GλρΔΤ=743 944 kJ/h，即正流氣體原料氣換熱量為743 944 kJ/h。

4. 出塔污氮氣換熱量。已知出塔污氮氣流量G為2000 m3/h(換算為標態下)；污氮氣比熱λ為1.038 kJ/(kg·K)；污氮氣密度ρ為1.25 kg/m3；進氣溫度t1為-190℃；出氣溫度t2為20℃。根據空氣換熱量公式(1)計算得出，Q4=GλρΔΤ=544 950 kJ/h，即逆流氣體出塔污氮氣換熱量為544 950 kJ/h。

結合能量平衡原理，吸收冷量與放出冷量是相等的，即：Q1+Q3=Q2+Q4。而事實上吸收冷量為Q1+Q3=1 480 741 kJ/h。逆流氣體放出冷量為Q2+Q4=1 463 672 kJ/h，通過計算可以看出Q1+Q3>Q2+Q4。

結合計算能夠得出，吸收冷量與放出冷量相比，前者要大一些，說明冷量不充足，設備在實際運行時有其他方面的冷量損失，要想保持平衡，唯有減少進主換熱器原料空氣量。在實際生產時，尤其是在環境溫度較高的夏季，只有使原料空氣量下降，才能使精餾塔精餾條件得以保證，而結果會導致產量下降。

通過計算可以看出，對換熱成效影響最顯著的因素就是進氣溫度。當出氣溫度不發生變化時，前者高一些，其換熱量勢必會上漲，從而導致冷量消耗增大。反之，原料氣進氣溫度越低，冷量越充足，進塔原料氣氣量也會隨之增大，生產產量就會提高。

4 結 論

從換熱系統分析可以看出，換熱器結構對換熱效果會產生影響，但對已定型換熱器而言，對產量影響最關鍵的要素并非結構，而是工作條件。通過分析可以得出以下結論。

1. 油水換熱器對運轉設備的正常運行有影響，但不會顯著影響到生產量。

2. 氣水換熱器會影響產量，產生影響的因素有兩個方面，一方面是溫度，一方面是壓力，使進水溫度下降、壓力上升，對產量有一定積極的作用。

3. 氣氣換熱器會嚴重影響產量，最關鍵的影響因素是進氣溫度會使冷量損失。對空氣分離系統而言，在一定范圍內，進氣溫度越低，冷量損失就越小，所以，在一定條件下，進氣溫度下降是使產量增加的主要方式，這也是在夏季啟動預冷機組的依據。熱端溫差每增加1℃，熱交換不完全冷量損失會增加1.33 kJ/m3加工空氣。所以適當降低原料氣進主換熱器的溫度，可以減小熱端溫差，提高冷量的利用率，減小冷損。