渦流管技術(shù)在天然氣輸配,調(diào)壓系統(tǒng)中的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用。由于它可以將天然氣自身的壓降能轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)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(hù)等優(yōu)點(diǎn)。 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(yùn)動部件等優(yōu)點(diǎn)；從而可以做到免維護(hù)，不用氟利昂或其他化學(xué)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(yùn)行安全可靠、造價(jià)低廉。由于具有以上多種功能和優(yōu)點(diǎn)，渦流管有著廣闊的應(yīng)用前景，可以應(yīng)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(xué)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(shè)備的冷卻、除冰；科研方面：熱電偶的冷結(jié)點(diǎn)恒溫，溫度計(jì)的測定等 1。但在我國，由于過去片面強(qiáng)調(diào)了渦流管的低效率，忽略了其獨(dú)特的優(yōu)越性，這方面的研究開展的很少，應(yīng)用幾乎為零。而國外已將該技術(shù)廣泛應(yīng)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(yīng)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(jìn)入，經(jīng)噴嘴內(nèi)膨脹加速后，以很高的速度沿切線方向進(jìn)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(dá) 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(yīng) ” 。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(yīng) 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(fù)雜。關(guān)于渦流管溫度分離機(jī)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(jìn)入渦流室。在渦流室內(nèi)，氣流的邊界角速度小，但近中心點(diǎn)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(shí)，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(yīng)用 為了提高傳輸效率，一般都是將天然氣高壓傳輸，在到達(dá)用戶之前再進(jìn)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(yīng)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?xì)忮仩t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(jì)。而使用燃?xì)忮仩t加熱一般是從傳輸?shù)娜細(xì)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?xì)猓⑶胰細(xì)獾娜紵€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?xì)獯蠹s 18萬 m3到 180 萬 m3，相當(dāng)于每年燒掉價(jià)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(yīng)用于天然氣傳輸系統(tǒng)時(shí)，就可以直接利用天然氣降壓產(chǎn)生的熱能來進(jìn)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(hù)。所以說將渦流管技術(shù)應(yīng)用于天然氣行業(yè)具有廣闊的前景。 3.1 渦流先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞鳎?VPGH） 渦流先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞?(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(dǎo)燃?xì)膺M(jìn)行加熱，以防止先導(dǎo)燃?xì)饫淠Ｈ鐖D 3 所示。 圖 3 渦流先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞?Fig. 3 Vortex pilot gas heater 3.1.1 工作原理及特點(diǎn) 在此特定的應(yīng)用場合中，根據(jù)渦流管的工作原理，對傳統(tǒng)的渦流管進(jìn)行了改進(jìn)，如圖 4 所示，將熱端管堵死。由于熱氣流無法直接排走，導(dǎo)致熱端管管壁溫度越來越高。 圖 4 改進(jìn)的渦流管 Fig. 4 Improved vortex tube VPGH 的核心是渦流加熱器（ VH），它在燃?xì)獯嬖趬翰顣r(shí)工作，將燃?xì)鉁p壓產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成高溫?zé)釟饬?，并通過加裝在渦流加熱器上的熱交換器加熱先導(dǎo)燃?xì)?。如圖 5 所示。 圖 5 渦流先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞髟韴D 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(diǎn)：無運(yùn)動部件，免維護(hù)；用渦流管燃?xì)鉁p壓分離的熱能加熱先導(dǎo)燃?xì)?，可將先?dǎo)燃?xì)饧訜岬?32 ordm；C；對潮濕燃?xì)獠幻舾?，可安裝在水下進(jìn)行；無燃?xì)鈸p失，無過熱現(xiàn)象，易于設(shè)計(jì)、安裝或?qū)ΜF(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造。 VPGH 可在一個很寬的操作范圍內(nèi)有效運(yùn)行。比如單獨(dú)使用在壓降達(dá) 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?xì)夂驎r(shí)， 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(dǎo)燃?xì)馊肟谔幵斐啥氯?3.1.2 安裝運(yùn)行 渦流先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞鲬?yīng)按圖 7 所示垂直安裝。建議渦流加熱器進(jìn)氣管位于燃?xì)夤芫€的頂部。應(yīng)特別注意防止管道密封劑進(jìn)入渦流加熱器入口。 圖 7 VPGH 實(shí)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(jìn)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(dǎo)燃?xì)膺M(jìn)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(dǎo)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(hù)，當(dāng)下游壓力超出設(shè)定壓力值時(shí)關(guān)閉閥門。 當(dāng)調(diào)壓站流量低時(shí)， 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(hù)。 1.VPGH； 2.Fisher 627M 監(jiān)控閥； 3.4 截止閥； 5.先導(dǎo)燃?xì)膺^濾器； 6.啟動壓力顯示表 . 渦流氣源； . 渦流入口； . 渦流出口； . 先導(dǎo)負(fù)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?xì)庹{(diào)壓器（ VPR） 渦流自熱燃?xì)庹{(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(shí)需加裝的在線加熱器。如圖 9 所示。 圖 9 渦流自熱燃?xì)庹{(diào)壓器 VPR Fig.9 Vortex pressure regulator 3.2.1 工作原理及特點(diǎn) 渦流自熱燃?xì)庹{(diào)壓器（ VPR）內(nèi)燃?xì)鉁p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(fù)荷，結(jié)果使燃?xì)饫淞鞑糠值臏囟壬?。?VPR 內(nèi)熱流燃?xì)馀c被加熱的冷流燃?xì)饨Y(jié)合，即可達(dá)到需要的燃?xì)鉁囟取?去除渦流管冷氣流中冷負(fù)荷，是通過預(yù)設(shè)在渦流管鄰近的熱交換器來實(shí)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(shè)計(jì)如圖 10所示。 1.渦流管； 2.燃?xì)?/乙二醇交換器； 3.冷能利用 圖 10 渦流燃?xì)庹{(diào)壓器的設(shè)計(jì)圖 Fig.10 The design drawing of VPR 熱交換得到的冷負(fù)荷可用于滿足調(diào)壓站附近工業(yè)冷卻的需要（如工藝?yán)鋮s、冷庫、附近建筑空調(diào)等），可采用乙二醇循環(huán)把冷負(fù)荷輸送到需要的地方。例如：在發(fā)電廠和壓縮機(jī)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?xì)庹{(diào)壓器，渦流冷能可用于液化石油氣的預(yù)冷卻，可以節(jié)省大量的能源。 若燃?xì)庹{(diào)壓站附近沒有渦流冷能的工業(yè)應(yīng)用，但冬天環(huán)境溫度相對較高時(shí)，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(fēng)機(jī)就可以。為防止散熱片結(jié)冰，有必要準(zhǔn)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(fèi)用，避免了空氣污染，而且還產(chǎn)生了免費(fèi)的冷能。 VPR 具有以下特點(diǎn)：在天然氣減壓的同時(shí)產(chǎn)生熱量輸出，是無需外部加熱的自加熱設(shè)備；對任何質(zhì)量的天然氣，皆可穩(wěn)定運(yùn)行且無冷凝；無天然氣損失，無運(yùn)動部件，免維護(hù)，易于在新的設(shè)施上安裝或?qū)ΜF(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。 3.2.2 安裝運(yùn)行 渦流自熱燃?xì)庹{(diào)壓器（ VPR）系統(tǒng)安裝時(shí)，需在 VPR 上安裝一個過壓保護(hù)監(jiān)控閥，以防止下游燃?xì)庠诹阈枨髸r(shí)，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(shè)定值與傳輸?shù)膲毫ο喈?dāng)。 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(dān)當(dāng)全部的減壓任務(wù)。當(dāng)用戶需求有較大下降時(shí)， Fisher 627M 閥門開始用于燃?xì)饨亓?，?dāng)用戶需求繼續(xù)降低，費(fèi)希爾 726M 閥壓差增大，用戶需求為零時(shí)關(guān)閉。 低流量的情況下， Fisher 627M 閥和下游管道 VPR 燃?xì)鈮翰畹哪Ｊ脚c前述 VPGH 類似。 當(dāng)燃?xì)庑枨筝^大時(shí)，可安裝多個不同規(guī)格的 VPR 同時(shí)運(yùn)行，以滿足用戶需要。為了更好的反映燃?xì)庑枨蟮淖兓總€ VPR 系統(tǒng)上游管線的 Fisher 627M 閥都有一個獨(dú)立的壓力設(shè)定值。 燃?xì)庹{(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(dāng)天然氣在渦流管內(nèi)冷熱分離比為 1： 1 時(shí) (也即 T冷 = T 熱時(shí) ，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(shí)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(shí)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(yīng)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(dāng)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(yùn)動部件，免維護(hù)；環(huán)保；安裝便捷，對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn) 行技術(shù)改造方便；并且造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。將渦流管技術(shù)應(yīng)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(jìn)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(shí)期，相信渦流管技術(shù)的注入必將會促進(jìn)其飛躍發(fā)展。 參考文獻(xiàn) 1 曹勇，吳劍峰 .渦流管研究的進(jìn)展與評述 .