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空分设备主换热器热端温差的控制及意义

点击:1068 日期:[ 2014-04-26 21:36:10 ]
                    空分设备主换热器热端温差的控制及意义                             周尤刚  王承杰     (武汉钢铁集团氧气有限责任公司,湖北省武汉市青山区白玉山 430083)     摘要:减小主换热器热端温差是减少空分设备冷损,进而降低空分设备运行能耗的关键因素。叙述了武钢氧气公司30000 m3/h空分设备和60000 m3/h空分设备主换热器热端温差的控制方法,分析了两种控制方式的优缺点,并阐述了减小热端温差进而减少热交换不完全冷损的意义。     关键词:空分设备;换热器;热端温差;热交换不完全冷损     中图分类号:TQ116·11   文献标识码:B     前 言     空分设备主换热器热端温差是指正流加工空气在进入主换热器时的温度与返流的污氮气、产品氧气、产品氮气出主换热器时的温度之差。一般来说,预冷系统带有冷冻机的全低压流程空分设备,正流加工空气出分子筛吸附器进主换热器时的温度基本保持不变。热端温差的扩大就意味着返流气体跟正流加工空气复热后出主换热器的温度较低,冷量回收不充分,整套空分设备的复热不足冷损增加。因此为了维持整套空分设备的冷量平衡,就必须通过增加膨胀空气量的方式来增加冷量,从而导致氧气提取率下降、氧气产量减少、制氧单耗上升、空分设备能耗增加、液体产品产量下降。因此,在满足空分设备安全、稳定运行的前提下,尽可能地减小主换热器热端温差,对减少空分设备的冷损、降低能耗具有现实意义,也是从事空分设备运行操作人员的重点工作之一。     1·主换热器热端温差的控制方法     目前,大型空分设备均采用分子筛吸附净化、带增压膨胀机的工艺流程,其主换热器为非切换式板翅式换热器。由于不再担负自清除功能,只起换热作用,主换热器只是根据污氮气、产品氧气、产品氮气的热负荷大小,在各自的大型板翅式换热器组并联布置,与正流加工空气、增压空气进行换热而设计制造的。主换热器可分为:污氮主换热器、产品氧主换热器、产品氮主换热器。由于其内部通道减少,为主换热器的制造提供了方便,同时也为更好地控制其热端温差创造了条件。     武汉钢铁集团氧气有限责任公司(以下简称:武钢氧气公司)为了满足武钢的发展规划和主体厂对氧、氮、氩气日益增长的需求,于20世纪90年代初从林德公司引进了2套采用分子筛吸附净化、增压膨胀流程的30000 m3/h空分设备,于2004—2008年又陆续从林德公司引进了4套采用分子筛吸附净化、增压膨胀流程的60000 m3/h空分设备。相对30000 m3/h空分设备而言, 60000 m3/h空分设备的工艺流程和控制调节方式有了较大的改进和提高,其中,主换热器热端温差的控制方式和手段有了明显的改进。     1·1 30000 m3/h空分设备主换热器热端温差控制     武钢氧气公司30000 m3/h空分设备主换热器采用多组并联、紧凑式、高效大型板翅式换热器,进气布置方式为热端在上、冷端在下。其中,产品氮主换热器E3119A—C 3个单元为1组,产品氧主换热器E3118A—C 3个单元为1组,污氮主换热器E3117A—F 6个单元分为2组。在每一组主换热器正流空气入口总管上均设置一个远程控制阀门HCV3910、TCV3910、TCV3911、TCV3912。在每一组主换热器增压空气入口总管上均设置一个手动控制阀门3961、3962、3963、3964,这些阀门的阀芯均带有一定大小的孔,因此只能起到量的调节控制作用,不能起到切断作用。增压空气经过两个水冷却器即普冷水冷却器和激冷水冷却器冷却后,进入主换热器。其流程如图1所示。     对主换热器热端温差的控制,在正常生产过程中,操作人员根据实际工况,通过观察产品氮主换热器E3119A—C中返流产品氮气出主换热器的温度TI3930和正流加工空气进主换热器的温度TI2615两者之间的温差,操作远程控制阀门HCV3910,对进入主换热器的正流空气量进行调整,使其热端温差在兼顾其他方面的情况下尽可能缩小,从而得到一个产品氮气出E3119A—C的温度TI3930最佳值。以这个值为基准,将其分别引到产品氧主换热器E3118A—C入口空气温差控制阀的控制器TDIC3910和污氮主换热器E3117A—C、E3117D—F入口空气温差控制阀的控制器TDIC3911、TDIC3912中,再分别与产品氧出主换热器E3118A—C的温度TI3920和污氮出主换热器E3117A—C、E3117D—F的温度TI3925、TI3926进行比较。在温差控制器TDIC3910、TDIC3911、TDIC3912设定值为“0”的情况下,分别对正流空气阀门TCV3910、TCV3911、TCV3912进行控制,通过对进入产品氧主换热器E3118A—C和污氮主换热器E3117A—C、E3117D—F正流空气量的调节,使产品氧气出主换热器的温度TI3920和污氮气出主换热器的温度TI3925、TI3926与产品氮气出主换热器的温度TI3930一致,从而将主换热器热端温差控制在操作人员认为的最佳范围内。在整个控制过程中,还需根据实际工况,在兼顾各主换热器正流空气阀门开度一致和增压空气出主换热器温度TI3112、TI3111、TI3110、TI3109基本相等的情况下,通过手动阀门3961、3962、3963、3964,调节进各组主换热器的增压空气量。30000 m3/h空分设备主换热器的热端温差控制方式比较简单、明确,特别是采用温差控制器对产品氧、污氮主换热器热端温差的控制,使操作人员通过温差控制器一眼就可以直观看出该组换热器热端温差的实际情况,以便进一步进行调节。但也存在着许多不足:①采用温差进行控制,由于温差控制范围小,在实际控制中基准温度和调节温度均会发生变化,导致温度自动调节难以稳定;②增压空气出主换热器温度的调节采用手动阀门控制,在进行最大液氧生产工况与气氧生产工况互相转换的变工况过程中,由于膨胀空气量不同导致增压空气出主换热器温度发生变化,从而影响热端温差的控制,操作人员必须到现场对增压空气进主换热器的手动阀门开度不断进行调节,给操作人员在控制操作上增加了难度;③返流产品氧气、产品氮气出主换热器后在各个单元上没有阀门控制,在实际运行过程中,会造成各个单元热端温差大,不能充分发挥各单元主换热器效率;④增压空气采用普冷水、激冷水两次冷却,其进入主换热器的温度随着激冷水冷却器换热效率和激冷水流量、温度的变化而变化,影响较大,与正流空气温度相差较大,给实际判断主换热器热端温差大小带来了困难。     1·2 60000 m3/h空分设备主换热器热端温差控制     武钢氧气公司60000 m3/h空分设备主换热器采用多组并联、紧凑式、高效大型板翅式换热器,进气布置方式为热端在上、冷端在下。其中污氮主换热器E3117A—C 3个单元为1组,产品氧主换热器E3118A—C 3个单元为1组,产品氮主换热器E3119A—C 3个单元为1组,在每一组主换热器正流空气入口总管道上均设置一个远程控制阀门HV3901、FV3902、FV3903。在每一组主换热器增压空气入口总管上均设置一个远程控制阀门TV3111、HIC3912、TV3113。另外,在每一组的每一个单元返流气出主换热器管道上均设置一个手动阀门3917A—C、3918A—C、3919A—C,这些阀门也均带有一定大小的孔,只能起到量的调节控制作用,不能起到切断作用。增压空气是先经过一个普冷水冷却器E3421冷却后,再经过一个板翅式换热器E3429,与出分子筛吸附器进增压机的空气进行换热,冷却后进主换热器。其流程如图2所示。     对主换热器热端温差的控制,在正常生产过程中,操作人员根据实际工况,通过观察污氮主换热器E3117A—C中返流污氮气出主换热器的温度TI3926和正流加工空气进主换热器的温度TI2615两者之间的温差,再操作远程控制阀门HV3901,对进主换热器的正流加工空气量进行调整,使其热端温差在兼顾其他方面的情况下尽可能缩小,从而得到一个污氮气出E3117A—C的温度TI3926的理想值。以这个值为基准,将其分别引到主换热器E3118A—C的产品氧气出口温度控制器TIC3920、主换热器E3119A—C的产品氮气出口温度控制器TIC3930中,作为温度设定值;然后再分别由这两个温度控制器根据所测的实际温度与设定值的偏差大小,对进入主换热器E3118A—C、E3119A—C的正流空气流量控制器FIC3902、FIC3903的设定值进行修正,通过空气流量控制阀门FV3902、FV3903对进入主换热器E3118A—C、E3119A—C的正流空气量进行调节。同时,当工况发生较大变化,需加大调节幅度时,可通过手动操作控制器HIC3902·3、HIC3903·3,直接对FIC3902、FIC3903的设定值进行调节,使产品氧气、产品氮气出主换热器的温度TI3920、TI3930与污氮气出主换热器的温度TI3926一致,控制在最佳范围内。     在对整个热端温差进行控制的过程中,首先要根据实际情况并结合操作经验,通过对产品氧主换热器E3118A—C的增压空气远程控制阀门的调整,以确保增压空气出主换热器E3118A—C的温度TI3112处于最佳控制范围内,再将这个温度值作为基准分别引入主换热器E3117A—C、E3119A—C增压空气温度控制调节器上作为其设定值,并通过这一设定值控制增压空气进入主换热器E3117A—C、E3119A—C的温度控制阀门开度,从而确保增压空气出各组主换热器的温度一致。同时,操作人员也需要根据各主换热器返流气体的实际温度TI3917A—C、TI3918A—C、TI3919A—C与出分子筛吸附器进主换热器的正流空气温度TI2615的温差,通过手动调节阀门3917A—C、3918A—C、3919A—C,使主换热器各单元热端温差尽可能缩小,为有效地控制空分设备主换热器热端温差在最小范围内创造有利的条件。     60000 m3/h空分设备主换热器热端温差的控制方法与30000 m3/h空分设备主换热器热端温差的控制方法相比,前者自动控制技术更加可靠,控制手段也更加完备,主要表现在以下几方面:①将返流气出口温度与所需要达到的出口温度的偏差转变为进入正流空气流量的设定值,使其自动控制值的范围增大,变化反应迅速,有利于自动控制的稳定;②在增压空气入口管道上装有自动控制阀门,使增压空气出主换热器温度趋于一致并且稳定,有利于在空分设备变工况生产过程中对主换热器热端温差的控制;③在主换热器各单元返流气出口管道上均装有手动控制阀,可依据实际情况调整各单元热端温差,有利于精确调整整个主换热器热端温差;④采用了换热效率较高的板翅式换热器,利用从分子筛吸附器出来作增压膨胀空气的空气为冷源,冷却进主换热器的增压空气,使增压空气温度与加工空气进主换热器的温度基本一致并且稳定,有利于主换热器热端温差的有效控制。     1·3 主换热器热端温差控制需要注意的问题     (1)操作人员必须认真掌握、应用控制方法和控制手段,要根据实际工况进行认真分析,及时修改控制范围,以使主换热器热端温差尽可能缩小。     (2)加强测量设备和自动控制系统的维护,确保测量数据准确和自动控制系统的可靠性。     (3)要加强增压空气水冷却器的维护,确保其冷却效果达到要求,并严格防止其泄漏,以免造成主换热器堵塞。     (4)加强分子筛吸附器的使用、维护工作,确保吸附效果正常,防止水分或二氧化碳被带入主换热器,影响其换热效果。     (5)定期对主换热器进行加热,提高其换热效率。     (6)充分发挥空分设备过冷器的作用,提高返流气进主换热器的温度。     2·控制空分设备主换热器热端温差的意义     空分设备热交换不完全冷损即复热不足冷损是整套空分设备冷损的主要因素,占空分设备冷损的50%以上;而且空分设备规模越大,热交换不完全冷损所占比例越大。     热交换不完全冷损是由返流低温气体在出主换热器热端时不能复热到正流空气进主换热器的温度引起的。因此返流气体与正流空气换热时,其主换热器热端温差越大说明复热越不足,未被利用的冷量越多,热交换不完全冷损就越大,热端温差每扩大1℃,热交换不完全冷损将增大1·31 kJ/m3,空分设备的总冷损增加10%以上。因此热交换不完全冷损与热端温差成正比。     尽可能地将空分设备主换热器热端温差减小,是减少空分设备热交换不完全冷损、增加空分设备液体产品、降低空分设备能耗的一个关键措施,也是反映一名空分设备操作人员的技术素质和责任心的一个主要环节,具有十分重要的经济意义和深远意义。     以武钢氧气公司1套60000 m3/h空分设备为例进行计算。在标准工况下:加工空气量V为300000 m3/h,现将主换热器热端温差Δt在原有基础上再减小0·5℃,根据复热不足冷损经验计算公式:Q=VCΔt进行计算,其中C(热交换不完全冷损) =1·31 kJ/ (m3·℃),Δt=0·5℃,则每小时可减少冷损:     Q=300000×1·31×0·5=196500 kJ。     以每度电0·5元计算,一年可节约电费:     196500÷3600×24×350×0·5=229250元。     3·结束语     控制空分设备冷损是降低空分设备能耗、提高空分设备经济效益的重要措施,而控制好主换热器热端温差是减少空分设备冷损的关键。今后将结合实际,不断优化操作控制方式,努力将空分设备主换热器热端温差控制在最小范围内,尽可能地提高空分设备的经济效益。      参考文献:     [1]汤学忠,顾福民.新编制氧工问答[M].北京:冶金工业出版社, 2004.
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