涡流温度分离技术在天然气行业的应用-.pdf

第 2 8卷 第 2期 2 0 1 0年 4月 天 然气 与 石 油 Na t u r a l Ga s An d Oi l Vo 1 ． 28． No． 2 Apr ． 2 01 0 涡流温度分离技术在天然气行业韵应用 吕青楠 ， 张王宗 1 ． 中国石油管道兰州输气分公司， 甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 ； 2 ．美国环球涡流设备国际公司中国办事处， 北京 1 0 0 0 1 1 摘要 涡流管又叫朗格 一希 尔茨效应 管， 是一种结构简单而且能将压缩气体分为冷热两 股温度不同气体的能量分离机械装置， 具有结构简单、 温度 变化范围大、 无运动部件、 免维护、 使用寿命长、 适应环境能力强、 稳定可靠、 节能、 安全 、 环保等优点。着重研究涡流效应在天然 气输配行业的加热效果及推广应用价值 ， 通过对涡流特性分析 ， 涡流温度分离结构 的改进 ， 天 然气输配系统运行特征分析 ， 得 出涡流加热的优越性。虽然涡流技 术 已在很 多工业领域得到 广泛的应用， 但 目前为止 ， 天然气领域的涡流技术应用依然处于起步阶段， 由于其独特的优势， 决定了涡流技术将在天然气行业有广泛的应用前景。 关键词 涡流管； 朗格 一希 尔茨效应 ； 焦汤效应 ； 自适应 ； 外部 能源； 能量转移 ； 涡流先导燃 气 加热 器 文章编号 1 0 0 6 - 5 5 3 9 2 0 1 0 0 2 4 1 0 3 7 - 0 6 文献标识码 A 1 概述 1 ． 1 涡流现象简史 涡流现象是在 1 9 2 8年的一个相当偶然的发现 ， 法国物理学家乔治． 朗格 G e o r g e s J ． R a n q u e 在做物 理实验时察觉这一奇怪的现象 ， 在没有任何 可移动 零部件的简单装置里面 ， 同时出现了不同温度的冷、 热空气 ， 因此他开始着手研究 、 开发这种颇具商业应 用前景的装置 ， 然而 ， 他因研究没有获得实质性进展 而沉寂了。到了 1 9 4 5年德国物理学家鲁道夫． 希尔 茨 R u d o l f H i l s c h 对这一现象进行了进一步研究和 对涡流管改进 ， 取得了相 当好的成果 ， 并 于 1 9 4 7年 发表了他的研究与改进成果的技术论文 ， 因此 ， 涡流 现象广泛传播开来 。后来人们为纪念这两位发现并 研究涡流现象的科学先驱 ， 就将涡流效应称作 朗格 一 希尔茨效应 ， 同时将产生这种现象的装 置涡流管 叫朗格 一希尔茨效应管⋯。 1 ． 2 涡流管应用及发展 涡流管 自诞生之 t 3 起 ， 就因为它独特的优点得 到了广泛的应用 ， 然而 ， 由于 自身的局 限性 ， 它的应 用领域还是受到了限制 ， 因为 ， 人们对它的了解依然 是有限的 ， 缺少更深刻、 更具体的定量分析， 所以涡 流管的应用更多局限于小功率 、 小规模的制冷领域， 而对涡流管的制热效应的应用则很少有涉及 ， 因篇 幅有限， 在此不作过多涡流制冷领域的应用阐述。 1 ． 3 涡流温度分离技术在天然行业的应用前景 涡流管既然同时具有冷 、 热效应 ， 我们能否将涡 流效应应用于天然气行业普遍存在的消除因焦汤效 应 而产生的局部冻堵现象， 这个课题就成为天然 气输配行业十分有意义的实践和应用探索。下面 ， 就涡流原理及天然气行业 的应用 问题作进一步说 明 2 涡流管的结构及基本原理 2 ． 1 涡流管基本结构及工作过程 传统的双流涡流管 由喷嘴、 涡流室 、 冷端管 、 热 端管 、 冷端孔板和调节阀组成 ， 如图 1 所示。 收稿 日期 2 0 0 9 ． 1 2 - 0 7 作者简介 吕青楠 1 9 8 3 一 ， 男， 山东郓城人 ， 工程师， 学士， 主要从事天然气输配设备、 工艺及工程的管理、 设计与研 究工作。电话 0 9 3 1 7 6 6 6 5 5 58 7 5 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 天 然 气 与 石 油 高压气体 冷端管 涡流室 热端管 调节 阀 图 l 涡流管基本结构 图 2 ． 2 涡流管基本工作过程 高压气体从喷嘴处进入， 经喷嘴内膨胀加速后， 以很高的速度沿切线 方向进 入涡流室 ，如 图 2所 示。气流在涡流室 内形成高速涡旋 ， 其转速可高达 1 ． 01 0。 r ／mi n ，经过涡流变换后产生温度 的分离。 处于中心部位的回流气流温度较低 ，由冷端孑 L 板流 出， 形成冷气流； 而处于外层部位的气流温度较高 ， 从热端经调节阀流出， 形成热气流 ， 这一现象即被 称为 “ 涡流效应” _ 2 j 。调节装在热端的针形调节 阀 可用于调节冷热流比例 ， 从而得到最佳制冷或制热 效应 。 喷嘴 涡 图 2 涡流气体走向示意图 由于涡流特殊 的气动特征 ， 就形成 了明显的中 间冷 、 外层热的能量 温度 分离现象 ， 这样 ， 涡流 管热端管道就泄出低压 的高温气流 ， 而且涡流管的 外壁温度被热气流加温变得很高 ， 同时 ， 冷端则泻放 出相当低温的气流。 在普通的绝热膨胀过程中， 压缩气体原始温度 和膨胀后最终温度 ， 关系如下 a ． T ， r， 0 一 △ ， 其中△ 玎 是焦汤效应降低的 温度 在涡流效应中， 压缩气体经过涡流过程以后 ， 最 终温度分为冷 、 热 两个部分温度 ， 其 中， A T 是涡流管的涡流效应的增温， 其温度变化关系 如下 b ． T o一△ Ⅳ一△ r r c ． T HT o一△ ， △ r r 从上述 三个温度平衡式 中可 以看出， 绝热膨胀 过程中， 只产生了一种降温效应 T ， ， 而涡流 效应过程 中， 同时出现焦汤效应和涡流效应 T t T o ， 而且产生 了明显 的能量分离现象 。 在需要消除天然气焦汤效应 的工艺要求下 ， 我们必 须使 △ 发挥最好 最大限度地减少 △ ， 在系统温 度变化中的权重 。 ， 冈此， 就必须对传统的涡流管 的结构作相应的改进以达到制热效应的最大化。 3 涡流管热结构及加热方式的改进 涡流管特定的结构决定 了其明显而有效的制冷 和加热功能 ， 但在一般情况下， 涡流发生器的流道特 征、 涡流发生器的内腔几何特征 、 热管的长度 、 直径 、 涡流管内腔壁的处理方式 、 涡流管冷热端几何尺寸 的比例等 因素决定 了涡流管 能量分 离的效率 J 。 在天然气应用上 ， 如何将涡流管的制热效应发挥到 最大化 ， 是我们着重考虑的问题。首先， 加热方式 上 ， 我们不能采用涡流管产生的高温天然气来直接 加热消除因焦汤效应而产生的冻堵问题 ， 因为， 涡流 管的处理功率有限 ， 而且产生的热气量 占总处理气 量的份额 热效比 有限， 因此直接加热大量 因焦汤 效应而产生的低温天然气是不可能的， 因此我们 只 能考虑问接加热 ， 也就是利用涡流管的制热管的外 壁热量来进行有效 的热交换 ， 这样达到加热效果。 不但如此 ， 我们还要解决涡流管 的热端产生的热气 走向问题 ， 因为天然气行业是不允许 有任何气体泄 露的， 我们不能因为加热而泄放炽热的天然气。其 次 ， 涡流管通常是减压状态下工作的， 因此焦汤效应 和涡流效应叠加的结果是制冷量大于制热量 ， 也就 是其热效相当有限， 我们如何来通过 改善涡流管的 几何特征来提高涡流管的热效以满足我们的加热需 要。最后一个问题就是， 涡流管是一个减压能量分 离装置 ， 我们如何解决减压过程 中的焦汤效应而造 成的涡流管本 身的减压 冻堵 问题 』 。为此涡流管 的结构因天然气加热的特殊性必须作两个阶段的改 讲 3 ． 1 双流涡流管向单流涡流管的演化使涡流管热 管壁的温度比原来的管壁温度更高 因为传统意义上的双流涡流管运行时很大一部 分热量散发是通过热端的涡流热气散发 如图 3 ， 我们 对热 端 进 行 减小 热 气 散 失 的处 理 局 部封 堵 ， 可以将原来散失 的大部分热量转移到热端 管的管壁 ， 这样 ， 由于涡流效应过程 的连续 累积 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 8 卷第2期 吕青楠 ， 等 涡流温度分离技术在天然气行业的应用 3 9 和强化 ， 势必造成涡流管热管管壁温度的大幅度上 升 ， 这与传统的双流涡流管相 比， 涡流管热端管壁的 温度大大提高， 从而给我们需要 的壁式热交换提供 更有效的可能性 J ， 改造过后的单流涡流管原理图 与结构示意图如图4 。 压缩气体 低压 冷热混合气 流 图 3 全封堵涡流热量分布示意图 I ， 1 r _ _ t 用干加执高 燃 。 1 图 4 局部封堵涡流热量分布示意图 3 ． 2 解决涡流管本 身的减压冻堵 问题是涡流管能 否连续正常工作的关键 因为天然气是多种烃类 、 水份和其他部分杂质 组成 的混合物 ， 因此 ， 在输配过程中的剧烈减压 时， 部分物质因为露点很高 ， 容易 因冷凝造成液化和固 化 ， 这样势必造成涡流装置本身在工作时产生严重 的冻堵 ， 为了解决这个问题 ， 我们从涡流管热端取出 部分涡流热气来加热涡流管这个容易冻堵的减压 口 涡流管本身的涡流气入 口 。这样通过以上两个 程序的改造， 传统意义上的双流涡流管就变成 了自 热型单流涡流管。改造过后的 自热单流涡流管原理 图与结构示意图如图 5 。 高压燃气人 口 效应 而造成 主输 配干线冻堵 的情况并不多见， 因 为主管线管径很大 ， 而且天然气输 配主管线 中调压 阀开度一般都很大， 在调压 阀打开瞬间虽然 出现剧 烈的温降过程 ， 但 因为巨大 的压差 和强烈的气流冲 击， 因此主干线虽然有 温降现象但不至于产生严重 的冻堵现象 ， 但是 ， 对于先导气 的情况就不一样 了， 由于上下游压差很大 ， 加之先导 阀的引压管管径较 小 ， 先导气的气流量也很小 ， 因此， 只要焦汤效应条 件存在 ， 就极容易出现冻堵现象 ， 这样就容易造成调 压过程处于严重的失控状态 ， 所以， 传统的办法使用 外界能源对先导气进行加热 J ， 如安装 电加热棒 ， 缠绕 电伴热带。在此 ， 我们则采用的是涡流先导燃 气加热器。如上文所述 ， 在解决了涡流制热效率 、 加 热方式和涡流管本身冻堵问题 以后 ， 我们就可以将 这样的涡流管进行进一步改进成可以直接给先导气 加热 的设备涡流先 导燃气加热器 V o r t e x P i l o t G a s H e a t e r ， 简称 V P G H 。改造后 ， V P G H的加热 原理和结构示意图如图 6～ 7 。 低 压燃 图 6 V P G H加热原理示意图 图 7 V P G H加热结构示意图 V P G H按加热通道的数量可分为单通道涡流先 导燃气加热器 V P G H S P 和双通道涡流先导燃 气 加热器 V P G H- D P ， 下面我们 以使用最广泛的双通 道涡流先导燃气加热器 V P G H． D P 为例来说 明涡 流先导燃气加热系统。 低压燃气出 L 1 用于加热高压燃气人 口的热气流 图 5单 流 无 冻 堵 涡 流 管 结 构 原 理 图 5 先导气加热系统简介 4 涡流先导然气加热器 V P G H 的形 成 5 原有的天然气调压站的先导式调压阀加热系 统 在天然气输配过程 中， 因减压膨胀 吸热 焦汤 在涡流先 导燃气加 热器 V P G H 没有诞 生 以 的 一 每 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 天 然 气 与 石 油 前， 传统的先导阀指挥器的加热是采用介入外界能 源加热 ， 加热方式多为使用电伴热带 如图 8 、 电加 热棒 如图9 或者电加热带和加热棒同H ,tJ ll 热的方 式。 图8 电加热带加热先导燃气示意图 图9 电加热棒加热先导燃气示意图 传统的电加热虽然有效地解决了先导式调压阀 的指挥器减压冻堵问题 ， 但有局限性 。 电加热设备 电加热带、 电加热棒 需要外接电 源， 不节能， 而且加热过程中存在故障隐患 ， 需要维 修、 维护 ， 且这些隐患不易发现 ， 从而增加了工作人 员的工作量。此外 ， 电加热设备 的工作功率恒定 ， 不 会因为调压阀上下游压力波动而 自动调整加热功率 以适应先导阀指挥器的焦汤冻堵情况。 5 ． 2 涡流先导燃气加热 系统 带有 V P G H的先导 燃气加热系统 安装有涡流先导加热器的加热系统接线原理见 图 1 0 。 球阀 图 1 O 带有涡流先导加热器 的加热 系统接线原理 图 不 含过压保护 在这 个系统接线图 1 0中， 涡流 回路 的上、 下游 压力差是 V P G H热量 的来源。首先 ， V P G H将本来 经由调压阀的部分天然气压力差势能分离 、 转化成 热能 、 冷能 ， 也就是将本来在调压阀中转化的能量进 行分流、 转化 、 分离 ， 在这个转化与分离能量过程中， 冷的能量只是-1 t ／ J , 的一部分， 也就是说 ， 与管道本身 的冷量相比， 这只是一小部分冷能， 这部分冷的能量 直接泄放 到下游管道 ， 而热 的能量在 V P G H 中累 积 ， 再使用先 导气 流将其 在 V P G H中交换 出来 ， 这 样就达到了给先导天然气加热的目的。在这个能量 的分离 、 转化 、 交换过程中， 整个先导气加热 系统没 有使用任何外部能源 ， 而且这种能源的分离、 转化 、 交换过程全部都是在 系统 内部进行的物理过程 ， 没 有任何化学反应 、 没有任何移动零部件的物理过程 ， 整个系统的能量守恒 ， 经过加热的先导气经 由先导 阀指挥器以后直接 由引压管泄放到下游管道 ， 这样 ， 下游主干线的天然气温度不会因少量的涡流出口的 低温天然气而大大降低下游系统的天然气温度， 不 会影响主干线天然气的温度。其次， 如图 1 0所示 ， 调压阀上、 下游的压力如 J p 1与 P 2之间的压力差发 生改变时， 第一级先导 阀指挥器 内的焦汤效应将会 改变 ， 相应 的， V P G H也 因P 1与 P 2之间的压力差发 生改变 ， 这样 V P G H 的热效应将发生改 变， 这也就 意味着 V P G H的加热情 况会 自适应 跟踪先导阀 的焦汤效应 的状 况。这也就是说 V P G H的加热状 态是动态跟踪焦汤效应的加热状态。对于第二级调 压阀 P 2与 尸 3之问 ， 原理也是一样的。需要指出 的是， 虽然持续不断 的涡流热量在涡流设备 的外壁 累积， 使涡流设备的外壁温度不断升高， 但这种温升 是有限度的， 而且不可能超越天然气行业所要求 的 安全防爆极限温度 E X P I V 所要求的 1 3 O ℃以上 。 因为， V P G H的热效应是一种动态效应 热量的产生 与交换是同步 、 动态过程 ， 也就是说 V P G H的温度 升高的同时， 强烈 而高效的热交换将 同时进行 ， 所 以， V P G H 涡流装置 中热量累积而达到的温度无法 超越安全防爆极限温度。再一个原 因就是， 在静态 条件下 一部分先导式 自立调压阀指挥器在上下游 压力不波动的情况下， 先导气是静止不流动的， 例如 D R E S S E R公司的 MO O N E Y先导阀 ， 涡流热量会随 涡流气的流出而直接散发到下游， 涡流结构的管壁 温度也不会超过 E X P IV所要 求的极 限温度 ， 因为 V P G H是利用单流涡流管来产热的 ， 一部分热量会 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 8 卷第2 期 吕青楠 ， 等 涡流温度分离技术在天然气行业的应用 4 1 因先导气的静止状态而泄放到下游。因此 ， 无论在 先导气是流动的或者静止的状态下 ， V P G H的存在 ， 其内部涡流部分不会产生危及天然气行业所要求 的 安全防爆极限温度 的高温。 上面的加热过程是针对常通状态下的先导阀指 挥器而言 ， 一些品牌 的先导式调压阀的指挥器 ， 在上 下游压力无论是波动或者恒定状态下 ， 其压力 比较 部分都是 导通的状态 这种情 况 占到 目前情况 的 9 0 ％以上 ， 也就是说 ， 先导气气流一直存在 ， 任何 时候先导阀指挥器都不会关 断先导气流 。然而， 还 有一类先导阀 如 D R E S S E R公司的 M O O N E Y先导 阀 则不是这种情况 ， 这类 先导阀指挥器则是在上 下游压力有波动时导通 ， 这种情况下 ， 在上下游压力 恒定时这种先导 阀指挥器则处于静止关闭状态 ， 这 时 V P G H的热能则在其 内部累积并传导到涡流气， 这时的涡流气温度就相应提高， 而当压力出现波动 也就是指挥器 开始 出现 打开 而出现焦 汤效应 时， V P G H立即释放热量来加热指挥器 ， 这充分体现了 V P G H及时动态加热的优势。 一 般情况下， 在连续运行 的调压 站 中， 标准 的 V P G H加热系统不需要安装过压保护 回路 ， 因为在 先导阀打开的情况下 ， 对于下游有任何微小的压力 波动， 先导阀会 自动调整开度来控制下游压力 ， 使下 游主干道的压力趋于平稳状态， 但在 问断运行 的调 压站中， 就有可能需要加装压力保护回路 ， 因为 ， 在 安装了 V P G H以后 ， 其 涡流 回路的存在就相 当于调 压撬上加了一个直接跨越两级调压阀的旁路 ， 在这 种情况下 ， 如果操作人员在间断运行时出现误操作 ， 仅仅关断下游截断 阀而没有关断上游 的截断阀， 而 且也没有关断 V P G H涡流出口球 阀， 那么上游的压 力将通过涡流 回路直接传输到下游 ， 那样容易导致 下游主干道压力上升。因此 ， 在这种特殊情况下需 要在涡流回路上加装压力保护装置 ， 其接线示 意图 如图 1 1 。 在带有压力保护 回路 的 V P G H加热调压 系统 图 1 1 中， 如果下游压力 因涡流 回路 的未关 闭 涡 流出口球 阀 而出现下游压力升 高时， 控制 回路 的 控制阀 例如 F I S H E R 6 2 7 M 就会 自动关闭 ， 这样 ， 就 保证了调压系统在停 止运行时， 下游压力不因涡流 回路而出现过压状态。 以上就是带有 V P G H加热调压 系统 的原理及 系统接线的全部情况简介 ， 在这个系统中， V P G H加 热的介入 ， 没有改变原系统运行的特性。 图 l 1 带有涡流先导加热器的加热系统接线原理图 含 过压保护 5 ． 3 V P G H安装注意事项 V P G H在安装过程 中容易 出现 以下问题 ， 因此 针对这些问题 ， 我们要注意以下几点 a ． V P G H产热情况是否良好取决于涡流回路的 安排 ， 这里要注意的是涡流入 口以及 出口的管道的 管径 、 长度与涡流气 的采集点 ， 如果天然气含有太多 杂质的话 ， 还要考虑是否采用燃气过滤器的问题 ， 虽 然这种情况并不常见 。 b ． V P G H下游涡流气 出口管道 的长度 、 管径需 要合理安排 ， 同时考虑到调压站运行情况考虑是否 加装球阀来保证 V P G H运行／ 关闭状态的切换 。 C ． 先导气加热 回路管道的管径 、 长度决定换热 效果和热量丧失的情况 ， 因此需要合理安排。 d ． V P G H在系统中的相关管道连接件情况将影 响其运行效率。 e ． 考虑到 V P G H加热系统的季节性变化， 因季 节温度情况的不同， 可 以适 当手动调节 V P G H涡流 出口球阀的开度， 而且对于运行参数不 同的调压站 及品牌 、 型号不同的调压装置， 选择涡流出口球阀开 度也不相同。 f ． 对于 V P G HD P而言 ， 其先导加热 回路 的选 择还需考虑现场调压器的分布和调压器参数设置情 况 ， 因为 V P G H D P两个加热 回路 的加热效率有差 异， 也就是说 V P G H D P内部 因加热回路 的不同， 其 热量分布不同。靠近涡流回路的为第一级 ， 热量分 配相对小； 顶端 回路为第二级 ， 热量分配相对较大。 有一种情况就是 在整个系统 中调压器预置参数差 别很大 ， 主调压器 工作 阀 上负荷大 压差大 ， 监 控调压器 监控 阀 上压差小 ， 因此 ， 它们 的指挥器 上的焦汤效应有明显差别， 这就需要我们更加合理 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 天 然 气 与 石 油 的安排加热回路 ， 也就是将第二级加热 回路使用在 加热工作阀指挥器上 。如果两个加热回路的加热效 率相差太大 ， 我们一个解决方法就是在不改变输配 工艺条件下调整两个调压器上的预置参数 这个调 节范围不能太大， 否则会导致线路运行不稳定 ， 使 两个参数值之问相差变小 ， 这样加热和热交换效果 就会改变。另一个方法就是倒换第一级 、 第二级加 热 回路。 6 结论 综合以上简介和 V P G H本身的特性 ， 我们 可以 得出带有 V P G H加热系统带有十分 明显的优越性， 对天然气管道调压站进行 V P G H加热改造能真正 体现安全、 环保、 节能等优越性， 因而 V P G H的推广 应用十分必要 。 正是基于以上原因， 我们认 为， V P G H是天 然气输配系统中调压设备先导气加热环节的十分优 秀的附属加热设备 ， 它必将在这个领域中发挥 十分 重要的作用。但应注意 ， 在安装 V P G H时需要调压 设备专业工程师配合指导安装 ， 以免影响调压设备 的正常运行。 参考 文献 [ 1 ] 帐王宗， 李保华． 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i l A u g ． 2 3 ， 2 0 0 7 ． 2 0 0 9年世界最大炼油厂排名 钱伯章提供 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m