渦流管技術(shù)在天然氣輸配,調(diào)壓系統(tǒng)中的應用[權(quán)威資料]

渦流管技術(shù)在天然氣輸配 ,調(diào)壓系統(tǒng)中的應用 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 摘要：渦流管是一種結(jié)構(gòu)簡單的能量分離裝置，具有制冷、制熱、分離等多種功能。本文在廣泛分析國外渦流管技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹了渦流管的結(jié)構(gòu)和工作原理，特別是其在天然氣輸配調(diào)壓系統(tǒng)中的應用。由于它可以將天然氣自身的壓降能轉(zhuǎn)化為熱能，進行自加熱，從而免除了在線加熱的必要，并且具有節(jié)能、環(huán)保、免維護等優(yōu)點。 關(guān)鍵詞：渦流管、天然氣、調(diào)壓 F407 A Abstract:Vortex Tube is a simple device for energy segregating. It has function of refrigeration, heating, segregation and so on. This text presents the structure and principle of vortex tube on the basis of analyzing the technology abroad widely, especially researches the advanced technology abroad that applying the vortex tube to pressure-regulating system of natural gas. The vortex tube can turn the voltagedrop to thermal power, so that we can use the power to heat and get rid of external heating. Also it saves energy, protects environment, and neednt any maintenance. Keywords:vortex tube； natural gas； pressure-regulating. TE832 ： A 1 引言 渦流管是一種結(jié)構(gòu)簡單的能量分離裝置。它除了具有制冷、制熱、抽真空、分離等多種功能外，還具有結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件等優(yōu)點；從而可以做到免維護，不用氟利昂或其他化學冷媒，無需用電就能產(chǎn)生明顯的冷卻和加熱效果；操作方便、運行安全可靠、造價低廉。由于具有以上多種功能和優(yōu)點，渦流管有著廣闊的應用前景，可以應用于很多行業(yè)。例如工業(yè)方面：工具冷卻，小型空調(diào)，便攜式制冷器；生物醫(yī)學方面：生物冷凍，內(nèi)外科手術(shù)；航空方面：空氣調(diào)節(jié)，電子設備的冷卻、除冰；科研方面：熱電偶的冷結(jié)點恒溫，溫度計的測定等 1。但在我國，由于過去片面強調(diào)了渦流管的低效率，忽略了其獨特的優(yōu)越性，這方面的研究開展的很少，應用幾乎為零。而國外已將該技術(shù)廣泛應用于天然氣、航空、工業(yè)等領(lǐng)域，尤其是近年來天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展，為渦流管的應用提供了廣闊的用武 之地。 2 渦流管的結(jié)構(gòu)及工作原理 渦流管由噴嘴、渦流室、冷端管、熱端管、冷端孔板和調(diào)節(jié)閥組成，如圖 1 所示。 圖 1 渦流管構(gòu)造圖 Fig. 1 The structure of vortex tube 圖 2 渦流室剖面圖 Fig.2 A cross-sectional view of the room of vortex tube 高壓氣體從噴嘴處進入，經(jīng)噴嘴內(nèi)膨脹加速后，以很高的速度沿切線方向進入渦流室，如圖 2 所示。氣流在渦流室內(nèi)形成高 速渦旋，其轉(zhuǎn)速可高達 106r/min，經(jīng)過渦流變換后產(chǎn)生溫度的分離。處于中心部位的回流氣流溫度較低，由冷端孔板流出，形成冷氣流；而處于外層部位的氣流溫度較高，從熱端經(jīng)調(diào)節(jié)閥流出，形成熱氣流，這一現(xiàn)象即被稱為 “ 渦流效應 ” 。調(diào)節(jié)閥可用于調(diào)節(jié)冷熱流比例，從而得到最佳制冷或制熱效應 2。 盡管渦流管在結(jié)構(gòu)和操作上非常簡單，但管內(nèi)發(fā)生的能量交換過程卻極其復雜。關(guān)于渦流管溫度分離機理的解釋有很多種，包括：動能傳遞、熱傳遞、絕熱冷卻理論、紊流能量交換理論、聲流理論等等 1。以下是一種比較簡單的解釋。高壓氣 體經(jīng)噴嘴膨脹后，幾乎以自由渦流形式進入渦流室。在渦流室內(nèi)，氣流的邊界角速度小，但近中心點角速度大，由于慣性力，最終要使所有氣流的角速度相等，因此氣流在向前流動的過程中，內(nèi)層氣流速度逐漸降低，外層氣流速度則逐漸增大。即功從內(nèi)層傳向外層，內(nèi)層氣流膨脹做功，溫度降低，外層氣流的溫度則開始升高。與此同時，熱量也向內(nèi)層中心傳遞，但比功的傳遞來的慢，外層氣流獲得的動能比其失去的熱能多，且這些動能在熱氣管中由于摩擦最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使外層氣流溫度不斷升高 3。 3 渦流管在天然氣輸配調(diào)壓系統(tǒng)中的應用 為了提高傳輸效率，一般都是將天然氣高壓傳輸，在到達用戶之前再進行逐級降壓。而壓縮天然氣的減壓過程是一個絕熱膨脹過程，焦湯效應的存在使其溫度降低，這樣就會產(chǎn)生冷凝、甚至凍堵的現(xiàn)象，因此需要伴熱系統(tǒng)提供熱源。目前主要使用電加熱或燃氣鍋爐加熱。而很多調(diào)壓站都是處于野外，如果使用電加熱，還要拉接電線，不方便也不經(jīng)濟。而使用燃氣鍋爐加熱一般是從傳輸?shù)娜細庵蟹殖鲆还勺鳛殄仩t的能源，利用一個很大的熱水套加熱主管線本身，這樣就需要消耗大量的燃氣，并且燃氣的燃燒還會造成大氣污染。在美國，一個外部在線加熱器每年要消耗燃氣大約 18萬 m3到 180 萬 m3，相當于每年燒掉價值 $52,000 到$520,000。而且以上兩種方式還都需要有工作人員控制監(jiān)視，安全性也不高。 而將渦流技術(shù)應用于天然氣傳輸系統(tǒng)時，就可以直接利用天然氣降壓產(chǎn)生的熱能來進行自加熱，從而免除了在線加熱的必要，既節(jié)能又環(huán)保。而且一旦安裝就不再需要人來維護。所以說將渦流管技術(shù)應用于天然氣行業(yè)具有廣闊的前景。 3.1 渦流先導燃氣加熱器（ VPGH） 渦流先導燃氣加熱器 (Vortex Pilot Gas Heater)，簡稱 VPGH，用于天然氣輸配 調(diào)壓站，對調(diào)壓器的先導燃氣進行加熱，以防止先導燃氣冷凝。如圖 3 所示。 圖 3 渦流先導燃氣加熱器 Fig. 3 Vortex pilot gas heater 3.1.1 工作原理及特點 在此特定的應用場合中，根據(jù)渦流管的工作原理，對傳統(tǒng)的渦流管進行了改進，如圖 4 所示，將熱端管堵死。由于熱氣流無法直接排走，導致熱端管管壁溫度越來越高。 圖 4 改進的渦流管 Fig. 4 Improved vortex tube VPGH 的核心是渦流加熱器（ VH），它在燃氣存在壓差時工作，將燃氣減壓產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成高溫熱氣流，并通過加裝在渦流加熱器上的熱交換器加熱先導燃氣。如圖 5 所示。 圖 5 渦流先導燃氣加熱器原理圖 Fig.5 The schematic diagram of VPGH 在與冷氣流混合前，一部分熱氣流用來加熱渦流管入口的瀉壓噴嘴，以防止冷凝，如圖 6 所示。 圖 6 部分熱氣流加熱渦流管入口噴嘴 Fig.6 Part of hot gas heats the nozzle of vortex tube VPGH 具有以下特點：無運動部件，免維護；用渦流管燃氣減壓分離的熱能加熱先導燃氣，可將先導燃氣加熱到 32 ordm；C；對潮濕燃氣不敏感，可安裝在水下進行；無燃氣損失，無過熱現(xiàn)象，易于設計、安裝或?qū)ΜF(xiàn)有系統(tǒng)進行改造。 VPGH 可在一個很寬的操作范圍內(nèi)有效運行。比如單獨使用在壓降達 1000psi(69Bar)或在戶外環(huán)境溫度為 -42 ordm；C 的條件下均可正常工作。在燃氣含硫時， VPGH 還可保持硫成分處于氣相狀態(tài)，因此可防止硫沉積在先導燃氣入口處造成堵塞。 3.1.2 安裝運行 渦流先導燃氣加熱器應按圖 7 所示垂直安裝。建議渦流加熱器進氣管位于燃氣管線的頂部。應特別注意防止管道密封劑進入渦流加熱器入口。 圖 7 VPGH 實物安裝圖 Fig.7 Installation of VPGH VPGH 的安裝流程如圖 8 所示。調(diào)壓器上游主管線的高壓氣流經(jīng) T 型三通管從兩側(cè)進入渦流加熱器，也即渦流管的入口噴嘴處，經(jīng)減壓后，冷熱氣混合從冷端管排到下游。上游的先導燃氣進入渦流加熱器，經(jīng)熱交換后獲取熱量，并以上游氣流相同的壓力，直接加熱先導閥。圖中為 Fisher 627M 監(jiān)控閥，其壓力傳感器與調(diào)壓器下游的低壓管線相連，為下游的管線系統(tǒng)提供過壓保護，當下游壓力超出設定壓力值時關(guān)閉閥門。 當調(diào)壓站流量低時， VPGH 起著初級調(diào)壓器的作用，而主調(diào)壓器關(guān)閉，這樣就減少了主調(diào)壓器的維護。 1.VPGH； 2.Fisher 627M 監(jiān)控閥； 3.4 截止閥； 5.先導燃氣過濾器； 6.啟動壓力顯示表 . 渦流氣源； . 渦流入口； . 渦流出口； . 先導負荷； . 控制線； .T 型三通管 圖 8 VPGH 安裝流程圖 Fig.8 The installation process of VPGH 3.2 渦流自熱燃氣調(diào)壓器（ VPR） 渦流自熱燃氣調(diào)壓器（ Vortex Pressure Regulator），簡稱 VPR，可用于天然氣調(diào)壓站中壓力的調(diào)節(jié)，取消了用調(diào)壓器調(diào)壓時需加裝的在線加熱器。如圖 9 所示。 圖 9 渦流自熱燃氣調(diào)壓器 VPR Fig.9 Vortex pressure regulator 3.2.1 工作原理及特點 渦流自熱燃氣調(diào)壓器（ VPR）內(nèi)燃氣減壓產(chǎn)生渦流 “ 熱量 ” 和 “ 冷 量 ” ，這兩部分能量在 VPR 的低壓區(qū)共存。移走冷量負荷，結(jié)果使燃氣冷流部分的溫度升高。將 VPR 內(nèi)熱流燃氣與被加熱的冷流燃氣結(jié)合，即可達到需要的燃氣溫度。 去除渦流管冷氣流中冷負荷，是通過預設在渦流管鄰近的熱交換器來實現(xiàn)的。冷氣流的低溫（ -28 ordm；C 至 -34 ordm；C）使這一過程簡單和高效，具體設計如圖 10所示。 1.渦流管； 2.燃氣 /乙二醇交換器； 3.冷能利用 圖 10 渦流燃氣調(diào)壓器的設計圖 Fig.10 The design drawing of VPR 熱交換得到的冷負荷可用于滿足調(diào)壓站附近工業(yè)冷卻的需要（如工藝冷卻、冷庫、附近建筑空調(diào)等），可采用乙二醇循環(huán)把冷負荷輸送到需要的地方。例如：在發(fā)電廠和壓縮機站，渦流冷能可用于冷卻潤滑油等很多方面。再如在液化石油氣處理廠都有燃氣調(diào)壓器，渦流冷能可用于液化石油氣的預冷卻，可以節(jié)省大量的能源。 若燃氣調(diào)壓站附近沒有渦流冷能的工業(yè)應用，但冬天環(huán)境溫度相對較高時，渦流冷能可以簡單的排放到大氣中，只需一個帶有散熱片的熱交換器和一個鼓風機就可以。為防止散熱片結(jié)冰，有必要準備一個備用的熱交換器。 采用這種方法，不僅取消了在線加熱器和它昂貴的操作費用，避免了空氣污染，而且還產(chǎn)生了免費的冷能。 VPR 具有以下特點：在天然氣減壓的同時產(chǎn)生熱量輸出，是無需外部加熱的自加熱設備；對任何質(zhì)量的天然氣，皆可穩(wěn)定運行且無冷凝；無天然氣損失，無運動部件，免維護，易于在新的設施上安裝或?qū)ΜF(xiàn)有系統(tǒng)進行技術(shù)改造。 3.2.2 安裝運行 渦流自熱燃氣調(diào)壓器（ VPR）系統(tǒng)安裝時，需在 VPR 上安裝一個過壓保護監(jiān)控閥，以防止下游燃氣在零需求時，產(chǎn)生過壓。這個閥門（通常是 Fisher627M 型）與 VPR 的下游管線相連，它的設定值與傳輸?shù)膲毫ο喈敗?VPR 的安裝示意圖如下： 1.VPR； 2.監(jiān)控閥； 3.傳感器線路 圖 11 VPR 安裝示意圖 Fig.11 Installation of VPR 在高流量情況下， Fisher 627M 閥門開度大， VPR 擔當全部的減壓任務。當用戶需求有較大下降時， Fisher 627M 閥門開始用于燃氣截流，當用戶需求繼續(xù)降低，費希爾 726M 閥壓差增大，用戶需求為零時關(guān)閉。 低流量的情況下， Fisher 627M 閥和下游管道 VPR 燃氣壓差的模式與前述 VPGH 類似。 當燃氣需求較大時，可安裝多個不同規(guī)格的 VPR 同時運行，以滿足用戶需要。為了更好的反映燃氣需求的變化，每個 VPR 系統(tǒng)上游管線的 Fisher 627M 閥都有一個獨立的壓力設定值。 燃氣調(diào)壓站（帶有 4 套 VPR）的示意圖如下： 1.VPR； 2.監(jiān)控閥（ Fisher 627M）； 3.傳感器線路 圖 12 多個 VPR 安裝示意圖 Fig.12 Installation of multi-VPR 3.3 天然氣在渦流管內(nèi)冷熱溫度分離效果 當天然氣在渦流管內(nèi)冷熱分離比為 1： 1 時 (也即 T冷 = T 熱時 ，冷熱溫度分離效果如下表： 表 1 天然氣在渦流管內(nèi)冷熱分離比 為 1： 1 時的冷熱溫度分離效果 Table.1 The separate effect of vortex tube when separate ratio of cold and hot gas is 1:1 渦流實際溫度如下： T 冷 =T 入口 -TJT -T 冷 T 熱 = T 入口 -TJT +T 熱 其中， TJT 表示由 JT效應產(chǎn)生的溫降。 例如： P0=600PSIG； P1=150PSIG （則 p=4）；TJT=13 ordm；C， T0=10 ordm；C T 冷 =10-13-29= -32 ordm；C T 熱 =10-13+29=26 ordm；C 該例表明渦流管的加熱和制冷效果還是相當顯著的 4 。 4 總結(jié) 通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)渦流管具有無運動部件，免維護；環(huán)保；安裝便捷，對現(xiàn)有系統(tǒng)進 行技術(shù)改造方便；并且造價低廉等優(yōu)點。將渦流管技術(shù)應用于天然氣調(diào)壓系統(tǒng)，就可以直接利用天然氣降壓產(chǎn)生的熱能來進行自加熱，從而免除了在線加熱的必要，既節(jié)能又環(huán)保。 目前是我國天然氣工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時期，相信渦流管技術(shù)的注入必將會促進其飛躍發(fā)展。 參考文獻 1 曹勇，吳劍峰 .渦流管研究的進展與評述 .