涡流管加热技术在天然气工业中的应用.pdf

第 2 8卷第 6期 油气储运 涡流管加热技术在天然气工业中的应用 熊长征 陈川 尹克江 冯 磊 王铁生 菅秀洋(中国石油管道公 司华 中输 气分公司)熊长征陈川等：涡流管加热技术在天然气工业中的应用，油气储运，2 0 0 9，2 8(6)6 9 7 2。摘 要 介绍 了涡流管加热器 的结构特 点和工作原理。根据 现场试验数据，分析 了涡流管加 热器的加热特性，比较 了涡流管加热器较之 电加热器的经济优势，并对其在天然气行业的应用前景 进 行 了预测。主题词 涡流管 加热技术 输气站 应用 一、前言 一、日 舌 涡流管，又称兰克一 赫尔胥(R a n q u e Hi l s c h)管，是一种 结 构 简单 的能 量 分 离装 置。涡 流管0 自 1 9 3 1年研发 面世 以来，通 过不 断改进，其制 冷、制 热、抽真空、分离等多种功能趋于完善，已在很多行 业中得到了应用。例如在制冷领域，主要应用于冷 却电子控制器、热 电偶的冷结点恒温、生物冷冻、内 外科手术等；在石化和天然气领域，混合烃 的分离、轻烃回收、天然气的除水等作用得到了很好的应用；此外，涡流管还被应用 到柴油机尾气 的处理 上。目前，涡流管的加热特性 已经在欧洲和美 国的天然 气行业中得到了成功的利用。天然气是粘度 比较低 的气态流体，从气矿采出 后，先经过净化，然后通过管道高压运输，再采用逐 级降压的方式将压力降到安全范围 内，最后送达下 游用户。高压天然气的减压过程近似为一个绝热膨 胀的过程，在通过输气站调压设备减压时，因节流导 致温度 降低，天然气 中含有 的水蒸气及 因高压形成 的水化物在低温下容易冷凝结冰。调压橇是输气站场的压力调节设备，其出 口压 力通过调压阀指挥器来控制。调压阀指挥器 的作用 是，将从下游采集 的压力信 号和设定 的压力值进行 比较，根据差压产生一个控制信号来控制调压阀的 开度。下游压力的采集通过引压管来实 现，引压管 从下游采集的气体通过指挥器节流减压后作用于调 压阀皮膜，进而控制 阀门的开度。由于引压管引入 的是下游通过调压节流后的气体，温度较低，气体进 入指挥器后，再次在指挥器内节流，会产生较大的温 降，因此指挥器阀 口处的气体温度极低，在冬天气温 比较低的情况下，很容易发生冰堵现象。为了防止 冰堵，目前在长输管道上主要采用电加热或伴热系 统提供热源。电加热或伴热 系统耗 电量大，同时加 热棒、伴热带属于易耗件，运行和维护成本较高。近 年来，随着我 国天然气行业的蓬勃发展，天然气的调 压设备也在不断的改进，目前 涡流管加热技术 已率 先应用在 中国石油管道公司华中输气公司管辖 的武 汉西计量站。将涡流技术应用于天然气输气设备，可以直接利用调压橇上下游压降产生 的压力能转化 的热能，进行引压管的加热，无运行和维护成本，用 它替代 电能加热 的传统模式，符合节能环保 的要求。二、涡流管的结构及基本原理 涡流管是一种结构简单 的能量分离装置，由喷 嘴、涡流室、分离孔板及冷热两端 的管子组成，见图 1。涡流管的基本工作原理是，高速气流 由进气导管 导入喷嘴，膨胀降压后 沿切线方 向高速进入阿基米 德螺线涡流室，形成 自由涡流，经过动能交换分离成 温度不等的两部分，中心部分动能逐渐降低变为冷 气流；边缘部分动能增大成为热气流，流向涡流管的 另一侧。这样，涡流管可以同时获得冷热两种效应，通过流量控制阀调节冷热气 流比例，相应地改变温 度，得到最佳的制冷或制热效应。尽管涡流管在结构和操作上比较简单，但管 内 *4 3 0 0 7 4，湖北省武汉市洪山区雄楚大街 9 7 7号 2 0 4室；电话：[phone]。油气储运 发生的能量交换却十分复杂。由于涡流管发热是 内 摩擦的结果，传热过程是不可逆 的，一般认为管 内 进行的是三维可压缩湍流流动。到 目前 为止，对于 涡流管涡流效应的解释有很多种，其 中包括热传递、动能传递、绝热冷却理论、紊流能量交换理论、声流 低 压 理论等。高压进气 口 涡流室 I I 冷气流 l I I I 热端分离管 热气流 兰 一_ 争 热端调节阀热气流 图 1涡 流 管 的 结 构 涡流管涡流效应 的物理实质是，当高压气体经 喷嘴膨胀之后，高速进入涡流室，在涡流室 内周边部 分形成涡流，其旋转角速度在涡流室边缘部分较小，越接近中心部分越大，于是在涡流室 中沿半径方 向 形成了不同角速度的气流层。由于气流层之间的摩 擦，内层的角速度降低而外层的角速度提高，因而内 层气流将一部分动能传给外层气流，即功从 内层传 向外层，内层气流膨胀对外层气流做功，温度降低，外层气流的温度则升高。与此 同时，热量也 向内层 中心传递，但 比功的传递速度慢，外层气流获得的动 能比失去的热能多，且这些动能在热气管 中由于摩 擦最终转化为内能，使外层气流的温度不断升高。三、涡流加热器的工作 原理及结构 根据涡流管的能量分离特性，可以将高压气流 分为冷热两股低压气流。目前，低 温气流主要被应 用于局部制冷行业另外一股相对 高温的气流多用 在天然气行业。利用涡 流管制成的加热器，称为涡 流先 导 气 体 加 热 器(Vo r t e x P i l o t G a s He a t e r，VP GH)，也 称 为 涡 流 加 热 器。目前，美 国 的 Un i v e r s a l Vo r t e x公司生 产的 VP GH 已经在天 然 气行业 中得到了成功的应用。涡流加热器是美 国 UVI 公 司生产 的专 门用 于 加热调压橇 引压管 的设备，见图 2。它在结构上对 普通涡流管作了较大改进，将热气出 口端封闭，这样 冷热气流在顶端混合后可 由低压气体出口排 出。涡 流室内气体流向见 图 3。高压气体入口 图 2 涡流加热器示意 图 高压气体 切线 喷嘴 图 3 涡流室气体流 向示意 图 涡流加热器工作时，出口温度很低，理论上最低 可达 一5 O。在天然气站场，如果将 出 口天然气直 接排放到大气 中，不仅存在安全 隐患，也浪费 了能 源。因此，低压气体 出 口只 能连接到调压橇下游低 压管段。另外，天然气中含有水蒸气或水合物，在进 气 口喷嘴处随着气体膨胀加速会产生大量冷量，喷 嘴距离低温混合气体 出口也较近，所以在高压气体 进气 口处容易发生 冰堵 现象。VP GH 通过将涡流 管上端少量热气直接引到高速喷嘴处加热 的方法，巧妙地解决了喷嘴处的冰堵问题。涡流管温度随着涡流管蜗壳内涡流强度 的增加 而增加，而涡流强度 与涡流管进 出 口的压力有关。在涡流管前后压力保持一定 的情况下，为 了提高涡 流管 中涡流 的强度，VP GH 采用 了对称 双喷 口设 计，将进气分成两股气流，沿蜗壳切线方 向进入，这 样有效地增加了涡流强度，提高了出口温度。四、涡流加热器在输气 生产中的应用 目前天然气分输 站中，分输压力 主要采用调压 橇调节。以武汉西站为例，来 自西气 东输淮武管道 的天然气压力为 5 0 MP a，而向下游用户 的供气 压 力约为 1 4 MP a。因此，在调压分输的过程中，存在 较大的节流。武汉西站调压橇采用 的是“紧急切 断 阀+监控调压阀+工作调压 阀”的调压模式。监 控 第 2 8卷第 6 期 熊长征 等：涡流管加热技术在天然气工业 中的应用 调压阀的指挥执行机构主要 由预调器和指挥 器组 成，预调器和指挥器中均存在节流。调压橇在工作 时，由于节流指挥器的出口气体温度较低，再加上天 然气本身含有水或水合物，低温时水容易冷凝成冰，堵塞指挥器 阀口，造成调压橇工作失效。目前，主要 采取电加热的方法来防止冰堵。武汉西站采用双通道涡流加热器来取代电加热 器。该双通 道涡流加 热器设计 的使用压 力为 6 9 MP a，试验压力为 1 0 3 MP a，加热功率随上下游压 比的变化而变化。双通道涡流加热器可以同时加热 两路天然气，即武汉西站一台加热器可 以同时为两 台调压阀指挥器 加热。图 4为涡 流加热器安装示 意 图。图 4 涡流加热器安装示 意图 涡流加热器的涡流气出 口温度较低，因此 涡流 气出口与下游管道之 间的连接应尽量短，出 口管径 尽量粗，弯头尽量少(最好为直管段)，以防止出口管 道发生冰堵。在 出 口处需 安装一 个节 流 阀来 控制 涡流气流量，以控制加热温度。在涡流加热器 涡流 气进 口处安装一个直径为 1 2 7 mm 的小球阀，便于 控制涡流加热器 的工作。从上游引压管引入的高压天然气经过涡流加热 器加热后，进入调压阀指挥器。在指挥器节流 降温 后，天然气的温度仍然高于 当前情况下天然气 的水 露点，有效地 防止了冰堵。涡流加热器安装简单，所 有连接处均可采用卡套接头连接。五、涡流加热器的物理参数 及经济性分析 1、试验参数分析 为了测得涡流加热器 的加热特性，在武汉西站 涡流加热器的热气 出口安装 了数字显示温度计。引 压管从上游引入的天然气温度，近似为进站天然气 温度，通 过 进 站温 度 变送 器 或温 度 表 直接 得 到。2 0 0 7年 2月 3 1 6日，对加热器各项数据进行 了跟 踪测量，测量数据包括上游压力、下游压力、环境温 度、天然气温度等，测得 的各项参数见表 1。通过试 验及理论分析 可以看 出，涡流加热器的加热温度 只与上下游压 比有关。涡流加热器压 比一温升坐标 图见 图 5。表 1 加热器各项参数数据 41 7 46 3 4 86 41 6 41 3 4 12 3 9 2 3 9 2 3 8 6 3 7 4 1 1 2 1 3 1 1 5 O 1 4 0 1 44 1 5O 1 48 1 5 4 l _ 55 1 5 4 0 1 O 0 2 0 2 0 1 5 3 0 1 O 0 1 O 3 72 3 3 52 6 3 24 3 2 97 1 2 86 8 2 7 47 2 6 49 2 5 45 2 4 90 2 4 29 从 图 5可以看 出，涡流加热器 的加热温度随压 比的增加而增加。天然气温升和压比之间近似成线 性关 系，即使 在 压 比为 2 4的情况 下，温 升 仍有 2 6 8 C，加热效果 比较 明显。在长输管道，尤其在分 输站场，调压橇前后压 比往往高于此值，因此加热效 果更 加 明显。2 6 2 1 2 6 6 1 4 8 弱 5 7 1 2 O 5 O 7 5 3 钨 盯 弘 髂 3 1 9 1 8 O 4 6 1 5 5 4 4 3 6 6 9 7 7 3 油气储运 索 赠 H 图 5涡 流 加 热 器 压 比一 温 升 曲线 2、经济效益分析 为了保证下游用户 的需要并方便检修，天然气 调压橇一般采取一用一备的方式。在武汉西站孝感 分输站，采用的是“紧急切断阀+监控调压阀+电动 调压阀”的调压模式，只有监控调压阀的指挥器引压 管 内天然气需要加热，由于选取了双通道 涡流加热 器(VP GHD P)，两路调压橇只需要一个加热器就 能满足加热需要。从成本、寿命等方面对涡流加热器和传统 的电 加热器进行了比较，结果见表 2。(1)设备购买成本。购置设备所需所有费用，包 括购置费、运输费。涡流加热器约为4 1 8 0 0 元，电加 热器约为1 1 0 0 0 1 2 0 0 0 元。(2)配件成本。涡流加热器配件主要有卡套接 头 6个，1 o mm不锈钢管约 l o m，直径为 1 2 7 mm 的球阀、节流阀各一个，投资约为 1 0 0 0元。电加热 器需要从配电室铺设 电缆至工艺 区，并 在工艺 区安 装空开等，投资约为 5 0 0 0元。(3)安装费。涡流加热器需要动火焊接管嘴，安 装费用约 1 2 0 0元；电加热器需要 电专业人员挖 电 缆沟、铺设电缆、安装防爆配电箱，施工需要两天，安 装费用约 1 0 0 0 0元。(4)运行成本。涡流加热器无运行成本，电加热 器按每年运行 1 0 0天，每天运行 2 4 h计算，运行成 本约为 6 0 0元 a。(5)维护成本。涡流加热器无维护成本，电加热 器需要电气检查，更换空开、保险等，约 5 0 0元 a。(6)使用寿命。涡流加热器平均 寿命为 2 O年，电加热器平均使用寿命为 3年。表 2 涡流 加热器和电加热器的经济效益 比较 通过比较可知，涡流加热器虽然初期 购置成本 较高，但具备安装方便、免维护、无运行成本、使用寿 命长等优点，其实际运行成本为 2 2 0 0元 a，约 占电 加热器费用(1 o 1 0 0元 a)的四分之一。因此，从经 济效益上，采用涡流加热器的优势更加明显。通过对 涡流加热器和 电加热器 的 比较可 以看 出，虽然涡流加热器的设备购置成本较高，但其具有 无运动部件、安全环保、无运行成本、安装方便、加热 效率高、成本低廉等特点，对天然气调压站调压橇引 压管的加热非常实用。目前，在天然气行业迅速发 展，国家重点天然气工程相继开工的情况下，涡流加 热器市场推广前景将会更加广阔。参 考 文 献 1，丁勇钢侯予等：涡流管的应用，低温工程，2 0 0 4(1)。2，曹 勇 吴 剑 峰等：涡流 管研 究 的 进 展与 评 述，低 温工 程，2 0 0 1(6)。3，黄 中 岳 胡 洪 涛：提 高 涡 流 管 制 冷 效 率 研 究，制 冷 技 术，20 0 2(1)。4，陈光 明 陈国邦等：制冷与低温原理，机械工业出版社(北 京)，2 0 0 0。5，王朋涛姜任秋等：涡流管能量分离过程的热力学模型，低温与 超导，2 0 0 6，3 4(5)。6，郑贤德：制冷原理与装置，机械工业 出版社(北京)，2 0 0 2。7，王朋涛姜任秋等：涡流室结构特性实验研究，节能，2 0 0 6(6)。8，D r L e v Tu n k e l，J o h n C o f f ma n：Vo r t e x p i l o t g a s h e a t e r d e s i g n n e e d s n o e x t e r n a l e n e r g y s o u r c e，P i p e l i n e Ga s J o u r n a l，No v e mbe r 2 0 0 7 (收稿 日期：2 0 0 8 0 6 1 8)麟 麟 灏 麴 舞 蠢 蠹 簿 篝 期