內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備高壓主換熱器的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

1、內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備高壓主換熱器的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)原作者：戴磊，李建偉出處：開(kāi)封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)處，河南省開(kāi)封市公園路28號(hào)，475002【關(guān)鍵詞】【論文摘要】介紹了為國(guó)產(chǎn)首套10000m3/h內(nèi)壓縮型空分設(shè)備配套的高壓主換熱器的主要技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，傳熱計(jì)算過(guò)程和結(jié)構(gòu)尺寸的確定；通過(guò)整套空分開(kāi)車(chē)運(yùn)行后對(duì)高壓主換熱器各點(diǎn)溫度及壓力的實(shí)際測(cè)定，肯定了該套主換熱器的設(shè)計(jì)及制造是成功的。中國(guó)氣體分離設(shè)備商務(wù)網(wǎng)-技術(shù)論文交流內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備高壓主換熱器的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)戴磊，李建偉開(kāi)封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)處，河南省開(kāi)封市公園路28號(hào)，475002【摘要】介紹了為國(guó)產(chǎn)首套10000m3/h內(nèi)壓縮型空分設(shè)備

2、配套的高壓主換熱器的主要技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，傳熱計(jì)算過(guò)程和結(jié)構(gòu)尺寸的確定；通過(guò)整套空分開(kāi)車(chē)運(yùn)行后對(duì)高壓主換熱器各點(diǎn)溫度及壓力的實(shí)際測(cè)定，肯定了該套主換熱器的設(shè)計(jì)及制造是成功的。關(guān)鍵詞：空分設(shè)備；內(nèi)壓縮；高壓換熱器；技術(shù)參數(shù)；傳熱計(jì)算；溫度；壓力；設(shè)計(jì)；制造     2000年中期開(kāi)封空分集團(tuán)公司與鄂城鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司簽訂了10000m3/h空分設(shè)備的供貨合同，流程采用了當(dāng)今世界較先進(jìn)的內(nèi)壓縮流程，已于2002年3月27日順利出氧。該套空分裝置的投產(chǎn)，標(biāo)志著開(kāi)封空分集團(tuán)有限公司繼在國(guó)內(nèi)率先成功采用全精餾無(wú)氫制氬工藝以來(lái)的又一次新技術(shù)、新工藝的成功應(yīng)用，開(kāi)創(chuàng)了

3、國(guó)產(chǎn)大型空分設(shè)備將氧氣壓力提升到3.0MPa等級(jí)的液氧內(nèi)壓縮工藝流程。    本次流程組織采用了較為典型的內(nèi)壓縮設(shè)計(jì)的基本流程：來(lái)自主冷凝蒸發(fā)器的液氧經(jīng)液氧泵壓縮至3.0MPa，然后在主換熱器中被汽化并復(fù)熱至12。為了使加壓后液氧的高品位冷量轉(zhuǎn)換成同一質(zhì)量級(jí)別（或同一溫度等級(jí)）的冷量，使得整個(gè)裝置的不可逆損失降低到最小，實(shí)現(xiàn)能量的平衡，必須有一股逆向流動(dòng)的被壓縮至一定壓力的空氣在主換熱系統(tǒng)中與液氧進(jìn)行熱量交換，使液氧被汽化和復(fù)熱的同時(shí)，高壓空氣被冷卻液化，然后經(jīng)節(jié)流后送入塔內(nèi)參與精餾，從而使用權(quán)加壓后的液氧冷量在裝置內(nèi)部被回收。對(duì)該流程的組織，一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)

4、題是：怎樣合理的組織熱交換系統(tǒng)，能夠?qū)a(chǎn)品的低溫冷量盡可能轉(zhuǎn)換成同等質(zhì)量的加工空氣的低溫冷量，并盡可能的減少不可逆損失，使裝置的能耗降低。經(jīng)流程計(jì)算確定的主換熱器系統(tǒng)的參數(shù)見(jiàn)表1。表1 鄂鋼“10000”空分主換熱器原始設(shè)計(jì)參數(shù)介質(zhì)流量（m3/h）壓力/MPa(G)進(jìn)口溫度/出口溫度/高壓空氣1800015-166空氣1830015-173膨脹空氣1650015-115高壓液氧10000-17812氮?dú)?2000-17712氬150-17812壓力氮?dú)?00-17812污氮?dú)?8810-17712    從表1中可知，整個(gè)換熱系統(tǒng)中高壓空氣、液氧、膨脹空氣、氬等流

5、體的壓力較高。最初考慮的主換熱器系統(tǒng)的組織有兩種方案：一是無(wú)論流體壓力高低，均放在一起進(jìn)行熱力計(jì)算；二是將高低壓流體按熱負(fù)荷負(fù)荷分開(kāi)后放在不同壓力等級(jí)的換熱器中換熱。經(jīng)分析比較認(rèn)為第一種方案設(shè)計(jì)難度較大、制造困難、經(jīng)濟(jì)性較差而被否定。最終決定將主換熱器系統(tǒng)分成高壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)分別進(jìn)行計(jì)算，以降低制造難度，保證換熱系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)熱平衡將原始設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行二次分配，稱(chēng)為高壓主換熱器系統(tǒng)和低壓主換熱器系統(tǒng)，其中高壓主換熱器系統(tǒng)為兩只，芯體尺寸為：5600mm×750mm×900mm；低壓主換熱器系統(tǒng)為兩，芯體尺寸為：5100mm×1000mm×12

6、00mm。具體參數(shù)見(jiàn)表2、表3，物流模型見(jiàn)圖1。表2 高壓主換熱器系統(tǒng)參數(shù)介質(zhì)流量（m3/h）壓力/MPa(G)進(jìn)口溫度/出口溫度/高壓空氣1800015-166膨脹空氣390015-115高壓液氧10000-17812氮?dú)?3600-17712氬氣150-17812表3 低壓主換熱器系統(tǒng)參數(shù)介質(zhì)流量（m3/h）壓力/MPa(G)進(jìn)口溫度/出口溫度/空氣1830015-173膨脹空氣1260015-115氮?dú)?400-17712壓力氮?dú)?00-17812污氮?dú)?8810-17712        低壓主換熱器系統(tǒng)與常規(guī)空分的

7、主換熱器系統(tǒng)相差不大，這里不再作詳細(xì)分析，下面只討論高壓主換熱器系統(tǒng)的有關(guān)問(wèn)題。    由以上參數(shù)可知，因高壓液氧的冷量有限，而高壓空氣的流量較大，熱量較多，故將從上塔抽出的產(chǎn)品氮?dú)夥殖鲆徊糠炙腿烁邏褐鲹Q熱器系統(tǒng)回收冷量，以維持高壓主換熱器系統(tǒng)的冷熱量平衡。從我們的熱力計(jì)算過(guò)程看，如何解決好高壓主換熱器系統(tǒng)中液氧汽化段的流體分配問(wèn)題，是整個(gè)主換熱器系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵。外壓流程與內(nèi)壓流程比較而言，外壓流程主換熱器系統(tǒng)內(nèi)的傳熱溫差比較平均，一般為4K左右，但在內(nèi)壓流程中因液氧汽化段較長(zhǎng)，在此段內(nèi)液氧汽化時(shí)溫度不變，而相應(yīng)的正流高壓空氣的溫度卻在不斷降低，這就使液氧開(kāi)始

8、汽化與汽化結(jié)束時(shí)汽化段的傳熱溫差由小變大很不均衡，從實(shí)際計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，汽化段內(nèi)從液氧汽化開(kāi)始至汽化結(jié)束的傳熱溫差由3K逐漸上升為15K，相差近12K。這就說(shuō)明如果正流氣與反流氣搭配不合適，就會(huì)使換熱系統(tǒng)的不可逆損失增大從而導(dǎo)致?lián)Q熱系統(tǒng)的熱段溫差擴(kuò)大，而我們又不可能靠一味的增加液化段長(zhǎng)度來(lái)解決。    為了解決這個(gè)難題，我們考慮從低壓主換熱器系統(tǒng)中抽出一股高于液氧汽化溫度的低溫空氣,參與液氧汽化段的換熱，以擴(kuò)大傳熱溫差減少不可逆損失，但其具體的楔人點(diǎn)的確定是一個(gè)難題，經(jīng)大量的反復(fù)計(jì)算，并經(jīng)校核驗(yàn)算，最終確定了抽出的低溫空氣的溫度及進(jìn)人液氧汽化段的位置，從目前現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)

9、行的情況來(lái)看，低溫空氣的楔人取得了一定的效果，但位置還不是十分精確，如位置再精確一些應(yīng)該能夠達(dá)到更好的效果。在解決上述問(wèn)題的同時(shí),還應(yīng)盡量避免冷流體之間的橫向傳熱。這是因?yàn)橐貉踉谄瘯r(shí)溫度保持不變，而返流的氮?dú)鈪s因和高壓空氣換熱而溫度升高，使得氮?dú)夂鸵貉踔g存在溫差，造成冷流體之間的橫向傳熱，但這一問(wèn)題可以通過(guò)通道的排列來(lái)有效的避免。見(jiàn)圖2和圖3。    在確定各高壓流體在換熱器內(nèi)的的流速的流速時(shí)，參考了國(guó)外某公司同類(lèi)產(chǎn)品的流速，綜合考慮了開(kāi)空公司翅片的沖制情況，確定了各流速的流速。因我國(guó)現(xiàn)階段翅片的加工制質(zhì)量及性能與國(guó)外的相比還有一定差距，所以選取的各流體的流速

10、相對(duì)國(guó)外產(chǎn)品都略有降低，以保證各流體的阻力，與流程計(jì)算保持一致。另外就是高壓側(cè)流體翅片的選用，既要保證足夠的換熱面積又要保證足夠的安全性，經(jīng)過(guò)對(duì)公司現(xiàn)有翅片的對(duì)比和強(qiáng)度計(jì)算，最終確定高壓空氣側(cè)及高壓氧側(cè)的翅片。就我們?cè)O(shè)計(jì)而言，在充分考慮阻力、流動(dòng)狀態(tài)的情況下，應(yīng)該盡量選取單位體積內(nèi)傳熱面積大的翅型，使選取的流體質(zhì)量流速升高，從而使換熱器的傳熱系數(shù)增大，換熱面積減小，板束尺寸減小，板束噸位降低，這樣既降低了成本，又提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。其實(shí)這正是在相同參數(shù)條件下我們國(guó)內(nèi)板翅式換熱器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的板翅式換熱器在體積及噸位上總比國(guó)外產(chǎn)品要大的一個(gè)根本原因。隨著內(nèi)壓縮流程的運(yùn)用，高壓板式的需求會(huì)越來(lái)越多

11、，耐高壓且單位體積內(nèi)傳熱面積較大的翅片是我們生產(chǎn)廠家亟待解決的問(wèn)題。    2002年3月底整套空分開(kāi)車(chē)成功后，高壓換熱器系統(tǒng)各點(diǎn)的出口參數(shù)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，其現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表4。表4 高壓主換熱器系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)介質(zhì)流量（m3/h）壓力/MPa(G)進(jìn)口溫度/出口溫度/高壓空氣1800015-166膨脹空氣390015-115高壓液氧10000-17812氮?dú)?3600-17712    注：因空分生產(chǎn)的氧氣與鋼廠氧氣管網(wǎng)相連，故障著鋼廠用氧量的變化，空分送出的氧氣量和壓力也在隨之波動(dòng)。表中參數(shù)為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)的一組。    從以上實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，該套空分高壓板式換熱器的設(shè)計(jì)是成功的，制造是合格的。同進(jìn)，也應(yīng)看到不足之分，空分工況調(diào)整過(guò)程及達(dá)設(shè)計(jì)工況后，主