空分设备板翅式换热器参数与能耗分析

 空分设备板翅式换热器参数与能耗分析

何建龙1,毛央平2

 (1·杭州杭氧换热设备有限公司,浙江省临安市青山湖街道东环路99号　311305;2·杭州杭氧股份有限公司设计院,浙江省杭州市东新路388号　310004)

    摘要:空分设备中主换热器的温差和流动阻力是影响空压机能耗的两个重要因素,通过板翅式换热器不同温差、流动阻力和主换热器设备投资、空压机电耗之间关系的详细数据对比,分析了换热器温差、正/返流阻力对空压机能耗的影响关系,并提出了合理控制换热器温差、合理分配换热器阻力的重要性。
    关键词:板翅式换热器;温差;流动阻力;空压机能耗
    中图分类号:TB657·5　　　文献标识码:A
    1　合理确定主换热器温差和流动阻力的重要性
    由于板翅式换热器翅片比表面积大,具有二次传热表面、传热效率高、结构紧凑、体积小和重量轻等优点,目前空分设备的主换热器多采用此结构。主换热器主要是提供空气、增压空气与氧气、氮气和污氮气热交换的场所,通过主换热器,空气被冷却到接近于低温液化温度,而后进入精馏塔,氧气、氮气和污氮气被加热至常温后流出冷箱。主换热器热端温差的大小直接关系到整套空分设备复热不足冷损的大小,直接影响空分设备的经济指标。热端温差选择得过大,复热不足冷损相应增加,导致空分设备的膨胀空气量增大,从而使能耗增加。热端温差选择得过小,将导致主换热器设备各尺寸增大,金属消耗量增加,且温差过小导致换热动能减小。所以针对不同介质工况和换热器类型,应有不同的最小换热温差要求。
    空分设备中加工空气、气体或液体产品流经各换热设备、辅助设备、管路和阀门时需克服一定的流动阻力,主要分沿程阻力和局部阻力,沿程阻力是流体流动克服摩擦力而引起的能量损失,局部阻力是流体流向变化、局部缩小或扩大引起的局部区域集中损耗的能量。在板翅式换热器内部,不仅由于翅片当量直径小,流体温降或温升大,换热量大,流体间温差小,传热面积大,沿程阻力较大;而且内部存在气流转向,接管与封头之间、封头与导流片进口之间存在局部缩小或扩大,所以需要克服较高的阻力。
    在能源紧缺的今天,合理确定主换热器温差和流动阻力显得尤为重要,这不仅是优化流程的过程,也是投资和效益之间的关系问题。下面就这两点以某10000 m3/h常规外压缩流程空分设备配套主换热器温差和流动阻力与空压机能耗之间关系加以讨论。
    2　板翅式换热器温差对空压机能耗的影响
    10000 m3/h空分设备主换热器正流空气阻力为13 kPa、返流各阻力为16 kPa,不同温差时换热器技术参数和空压机能耗的比较见表1。表1中以平均温差3·042℃(热端温差为2℃)为基准点,仅计算因温差变化而引起的其余参数变化,其他流程参数均基本一致,且空压机效率相同,年运行时间以300天计,工业用电价格以0·8元/ (kW·h)计算。
    从表1可知,主换热器温差从3·042 K减小到2·542 K (减小了0·5 K),设备投入成本的增加与运行一年半节约的费用基本相当。而主换热器温差从3·042 K扩大到3·542 K (扩大了0·5 K),设备投入成本的减少只能抵消10个月左右的运行费用。

             
    3　板翅式换热器流动阻力与空压机电耗之间的关系
    相同流程10000 m3/h空分设备的主换热器热端温差恒定,流动阻力的不同会引起空压机排气量的增减以及主换热器温差和UA值的微小变化,但由于变化微小,对空压机电耗的影响很小,可忽略不计,仅需考虑正/返流体流动阻力与空压机电耗之间的关系。
    3·1　正流空气流动阻力对空压机电耗的影响
    10000 m3/h空分设备主换热器热端温差恒定,流程相同, UA值基本相同,返流流体流动阻力均为16 kPa,正流空气流动阻力不同,空压机电耗不同,其具体影响见表2。

             
    从表2可知,正流空气流动阻力减小2 kPa,资金投入需增加7·52万元,而空压机电耗降低7 kW,年运行费用减少4·0336万元,增加的资金投入在不到两年的时间内即可收回。3·2　返流流体流动阻力对空压机电耗的影响10000 m3/h空分设备主换热器热端温差恒定,流程相同, UA值基本相同,正流空气流动阻力为13 kPa,返流流体流动阻力分别为14 kPa、16 kPa、18 kPa,返流流体流动阻力与空压机电耗之间的关系见表3。

             
    从表3可知,以返流流体流动阻力16 kPa为基准点,返流流体流动阻力减小2 kPa,空压机电耗降低31 kW,设备投资成本增加不到10万元,而年运行费用却减少17·856万元, 8个月即可收回多增加的设备投资成本;返流流体流动阻力增加2 kPa,空压机电耗增加33 kW,设备投资成本减少不到7万元,而年运行成本增加18·984万元,减少的设备投入成本只相当于4个月多付出的运行费用。可见降低返流流体流动阻力能有效降低空压机能耗,且返流流体流动阻力的增减相对于正流流体流动阻力的增减,对空压机电耗的影响更为显著。
    4　结　论
    综上所述,充分说明了空分设备在确定方案时,合理选取主换热器温差和流动阻力的重要性。温差减小0·5 K (即减小16%左右),换热设备投资成本的增加额与运行一年半时间所节约的费用大致相当,而温差扩大0·5 K (即扩大16%左右),一年运行费用的增加就已超出因温差扩大而使换热设备投入费用所降低的额度。同时,由于正流空气流动阻力对空压机能耗的影响没有返流流体流动阻力的影响大,降低换热器的流动阻力,特别是返流流体流动阻力,即使由此产生的一次性投资成本增大,但2~3年内即可收回成本;或者说虽然节约了一次性投资成本,但年使用成本提高,如换热器返流流体流动阻力为18 kPa时,节约的投资成本还抵不上半年增加的运行费用。所以,不仅要从结构设计上降低换热器的流动阻力,而且还应该结合工艺流程参数,对能耗与投资进行综合评估,以确定最佳方案。