应用预换热器的经济性分析及设计要点

1. 前言
    预换热器在空分设备中的应用始于上世纪80年代，由于能源的紧张，以节约运行能耗为目的，不惜增加一次性投入。进口日本的空分设备中曾采用预换热器，国内在鄂钢和长治两套6000空分上也作过成功的尝试，在此，我想就预换热器的设置进行一下粗略的分析，供大家参考。
    关于预换热器的问题主要有以下几个方面：
    A. 设置预换热器的节能效果；
    B. 一次性投资的增量；
    C. 在换热器设计中如何减小阻力；
    D. 在工程设计中如何消除热应力影响；

    2．预换热器的节能效果
    预换热器是指在空气出空压机进空冷塔前的管道上设置一台错流的板翅式换热器，与纯化系统的再生污氮气进行换热，利用空压机排气温度高的特点，预先对再生气进行加热，从而降低再生电加热器的能耗, 达到节能的目的。而空气的温度也有所降低，虽然对空冷塔的换热没有很明显的影响，却至少能减轻空冷塔底部结垢的程度。
    下面以6500Nm3/hO2为例进行分析：
    再生污氮量：7000Nm3/h
    进预换热器温度：12 ℃
    出换热器温度： 70 ℃
    获取热量： 7000*0.312*（70-12）
    =126672 Kcal/h
    换算成电能: 126672*1.163/1000
     =147.3KW
    纯化系统工作240分钟，加温84分钟，
    平均到每小时： 147.3*84/240=51.5KW
    增加的能耗：
    预换热器污氮侧设计阻力：760Pa
    污氮管道阻力增加：500Pa
    一般上塔阻力折合成中压阻力按三倍计算：3*1260=3780Pa=0.0378 bar
预换热器空气侧阻力：2210Pa
考虑增加一个弯头的阻力：50Pa
中压侧阻力：2260Pa=0.0226bar
吸附器加热时空压机排压增加：
0.0378+0.0226=0.0604bar
进气压力0.98barA,排气压力6.1 barA空压机轴功率：2758 KW
阻力增加引起的空压机能耗增加：
2773-2758=15KW
其他时间空压机排压增加：
0.0226bar
空压机能耗增加：
2764-2758=6KW
综合能耗增加：
（15*84+6*156）/240=9.15KW
平均每小时节能42.35KW
    考虑设计和制造的偏差，在不同阻力条件下的能耗对比见下表1：从表中可以看出，即使预换热器的实际操作阻力比设计值大，就总能耗而言，仍然是有比较明显的节能效果。

污氮阻力Kpa 1.5 2 2.5 3
折合中压 4.5 6 7.5 9
空气阻力 3 3 3 3
空压机排压bar 6.175 6.19 6.205 6.22
功率增加KW 18.8 22.5 26.1 29.7
综合增加KW 10.5 11.8 13 14.3
节能KW 41 39.7 38.5 37.2
3. 压力的增加对精馏的影响
    在理论上，压力提高不利于精馏，上塔压力增加约1Kpa，从模拟计算上，对精馏几乎没有影响，这个压力升高的负面效应很难估计。
而下塔压力的升高除了空压机能耗增加以外，则所带来的好处大于缺点，如：降低空冷塔空塔速度减少除雾器带水可能；减少吸附器空塔速度和空气压力提高，吸附剂的吸附能力增强；增压透平膨胀机压力提高，单位制冷量增加，膨胀量减少有利于精馏；主换热器换热情况改善；所有这些变化使因上塔压力提高对精馏的影响不是绝对的、线性的，在理论计算上反映不出来。
    4．一次性投资的增加
    预换热器的重量：950Kg约8万元
    四只膨胀节，价值约1万元
    增加的碳钢管道约2万元
    设备支架：1万元，施工费用2万元
    就地温度计忽略不计
    一次性投资增加：14万元。
    电气方面投资节省，包括电加热器功率减小，调功柜功率降低，电缆等可以节约投资约2万元。
    按照每度电费0.5元计算，12万的投资最多在9个月内即可收回。

5．预换热器的设计要点
预换热器的设计第一要点是减少阻力，在这方面主要采取以下措施：
1). 采用错流换热布置，这样取消了导流器，空气和污氮都是走在直通道，空气自上而下，污氮自左至右，虽然换热效果降低了，流体在换热器通道中的阻力最小。
2). 采用正接大封头，使整个换热器的阻力尽可能小。
3). 采用多孔型翅片，降低流道阻力。
4). 在换热器强度设计中充分考虑热应力的影响，封头连接也充分考虑热应力及管道附加应力的影响。

6. 工程设计中的要点
    由于预换热器的材质是铝材，而空气和污氮的管道材质都是碳钢，这样管道的重量和热应力都将给预换热器带来很大威胁，如何消除附加在板式换热器上的外部应力是工程设计的关键。
    首先设备的支撑要采用可以移动的连接方式，不仅是一端支撑采用腰型开孔，而是将整个换热器支撑在活动底座上。
各管道进口均增加一只补偿节。
    在各管道连接到扑偿节前分别给予良好的固定支撑。
    在配管中，设置可以抵偿变形的补偿空间，以免管道的重力附加在预换热器上。
    正流空气的含水量是空压机三级（二级）冷却器出口的饱和含水，在被冷却到87℃的时候还没有达到末级排气压力下的含水饱和点，因此不会有水分析出，不必考虑冷凝水问题。
    结论：总的来说，增加预换热器还是能够起到一定的节能作用，但其具体效果相对初始投入而言并不显著，尤其是电气方面的投入不具风险性，而预换热器的投入则出现过事故。而对精馏方面的影响更是见仁见智，这也许正是预换热器没有被广泛应用的原因。