渦流管的原理及在天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用

摘 要

摘要：分析了渦流管的原理和特性，介紹了渦流管在國內(nèi)外天然氣領(lǐng)域中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：渦流管；渦流管效應(yīng)；天然氣液化Principle and Application of Vortex Tube in Natural Gas Doma
摘要：分析了渦流管的原理和特性，介紹了渦流管在國內(nèi)外天然氣領(lǐng)域中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：渦流管；渦流管效應(yīng)；天然氣液化
Principle and Application of Vortex Tube in Natural Gas Domain
SHEN Jie，XI Wang
Abstract：The principle and characteristics of vortex tube are analyzed.The application of vortex tube to the domestic and foreign natural gas domain is introduced.
Key words：vortex tube；vortex tube effect；natural gas liquefaction
1 渦流管的原理
渦流管又稱Ranque Hilsch管，是一個(gè)沒有運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)非常簡單的能量分離裝置[1]。氣體在降壓過程中，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的渦流管時(shí)，可以分為冷熱兩股氣流，這種現(xiàn)象稱為渦流管現(xiàn)象，見圖1。
 

   渦流管工作時(shí)，壓縮氣體通過一個(gè)或多個(gè)噴嘴時(shí)發(fā)生膨脹，沿切線方向進(jìn)入渦流管，形成高速旋轉(zhuǎn)的渦流體，其轉(zhuǎn)速可高達(dá)106r/min，渦流體沿管壁向熱端運(yùn)動(dòng)，通過熱端控制閥釋放出部分熱氣流，沒有出去的氣流向回運(yùn)動(dòng)，在外側(cè)渦流內(nèi)部形成一個(gè)較小的渦流體。根據(jù)角動(dòng)量守恒原理，內(nèi)側(cè)渦流體的角速度高于外側(cè)渦流體的角速度，兩個(gè)渦流體之間的摩擦力使氣體還原為同一角速度運(yùn)動(dòng)，就像固體旋轉(zhuǎn)一樣。這樣就導(dǎo)致內(nèi)層減速和外層被加速，其內(nèi)層損失了部分動(dòng)能，溫度下降，外層接收內(nèi)層能量，溫度上升。其結(jié)果是，一股高壓氣流經(jīng)渦流管減壓處理后，將會(huì)在管中心產(chǎn)生一股很冷的冷流，在外側(cè)產(chǎn)生一股很熱的熱流。由于渦流管內(nèi)強(qiáng)烈的離心作用，中心的冷流氣體為干燥氣體，外側(cè)高溫氣體則集中了渦流管效應(yīng)(含節(jié)流效應(yīng))產(chǎn)生的所有液體[2]。通過改變熱端的控制閥，可以調(diào)節(jié)冷熱氣體的比例，從而實(shí)現(xiàn)不同的冷熱分離溫度。有實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)高壓氣體為常溫時(shí)，冷氣流溫度可以達(dá)到-10～-50℃，而熱氣流溫度可以達(dá)到100～130℃。
2 渦流管的特性
    自發(fā)明渦流管以來，國際上進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論研究，渦流管的很多獨(dú)特特性使其在很多特殊領(lǐng)域得到了應(yīng)用。首先，渦流管沒有運(yùn)動(dòng)部件，這樣就有較高的可靠性；其次，無需電等能源，可以應(yīng)用于對安全要求高的地方，比如防火防爆、不能有火花產(chǎn)生的地方；另外，還有重量輕、體積小、成本低、免維護(hù)、及時(shí)冷卻、溫度可調(diào)等特點(diǎn)，如果采用不銹鋼材料制作會(huì)有很長的壽命[1]。
3 渦流管在天然氣行業(yè)的應(yīng)用與研究
    渦流管可以應(yīng)用于天然氣露點(diǎn)控制、輕烴回收、天然氣液化、燃料氣處理和替代電伴熱等領(lǐng)域。
    ① 國外的應(yīng)用與研究
    從20世紀(jì)90年代開始，國外嘗試將渦流管技術(shù)應(yīng)用于天然氣工業(yè)，并取得了突破性進(jìn)展。
   1996年，德國一家公司在一套三甘醇裝置之后設(shè)置了渦流管裝置，以降低天然氣的烴露點(diǎn)，保證下游輸配過程中烴不會(huì)冷凝。為了適應(yīng)氣量的變化，渦流管使用了四噴嘴集管頭，每個(gè)集管頭有一個(gè)控制閥。通過這種改進(jìn)，設(shè)計(jì)操作范圍可在10%～100%變化，該系統(tǒng)已在歐洲和美國取得專利。該系統(tǒng)自1996年7月交付使用后，一直連續(xù)工作。系統(tǒng)測評結(jié)果表明，使用一定的壓力降就可以獲得很好的露點(diǎn)控制效果心一。
    俄羅斯將渦流管技術(shù)主要用于城市門站，利用調(diào)壓過程中的壓力降，不需要消耗額外的能量就可以將天然氣液化，這類裝置被稱為新一代天然氣液化裝置。列寧格勒輸氣公司的2座城市門站均建立了小型LNG生產(chǎn)裝置。該裝置的操作壓力為3.0～7.5MPa，處理天然氣量為(7.2～43.2)×104m3/d，液化率為6%～14%，占地面積為16m2[3]。
    美國UVI公司分別開發(fā)了美國UVI渦流先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞?、美國UVI渦流輕烴回收裝置等。渦流先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞饔糜谔烊粴廨斉湔{(diào)壓站，防止先導(dǎo)燃?xì)猱a(chǎn)生冷凝。渦流先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞鞯暮诵牟考菧u流加熱器，它將燃?xì)鉁p壓產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成高溫?zé)釟饬鳎@個(gè)高溫?zé)釟饬骷訜岚惭b在渦流加熱器壁上的熱交換器，先導(dǎo)燃?xì)馔ㄟ^熱交換器時(shí)被加熱。部分熱氣流也用來加熱渦流管入口的減壓噴嘴以防止冷凝。UVI公司獨(dú)特的渦流管可以在潮濕的、甚至入口氣流為兩相流的條件下運(yùn)行，并可產(chǎn)生溫差很大的冷、熱氣流。在渦流管中，焦耳-湯姆遜效應(yīng)與渦流冷卻效應(yīng)相疊加，這樣，在相同條件的閥門上，使用渦流效應(yīng)得到的天然氣溫度總是低于使用焦耳-湯姆遜效應(yīng)所得到的天然氣溫度，因此能以更低的溫度回收天然氣中的輕烴，即回收相同數(shù)量的天然氣中的輕烴，使用渦流管可減小膨脹率，即減少了壓縮成本。目前，這些產(chǎn)品已在很多國家得到了應(yīng)用。
    ② 國內(nèi)的應(yīng)用與研究
    勝利工程設(shè)計(jì)咨詢公司在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，于2006年自行研究設(shè)計(jì)了一套天然氣超聲速脫水試驗(yàn)裝置，由進(jìn)口分離器、二級分離器、渦流管、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、減壓閥、露點(diǎn)儀組成。2006年11月，該裝置在勝利油田海洋開發(fā)公司海五聯(lián)合站進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了良好的脫水效果[4]。
    武漢西計(jì)量站來自西氣東輸淮武管道的天然氣壓力為5.0MPa，而下游供氣壓力約為1.4MPa。因此，在調(diào)壓分輸時(shí)，存在較大的節(jié)流。調(diào)壓橇采用“緊急切斷閥+監(jiān)控調(diào)壓閥+工作調(diào)壓閥”的調(diào)壓模式。監(jiān)控調(diào)壓閥的指揮執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由預(yù)調(diào)器和指揮器組成，預(yù)調(diào)器和指揮器中均存在節(jié)流。調(diào)壓橇工作時(shí)，由于指揮器的出口氣體溫度較低，且天然氣本身含有水或水合物，低溫時(shí)水容易冷凝成冰，堵塞指揮器閥口，造成調(diào)壓橇工作失效。原來主要采取電加熱的方法防止冰堵，現(xiàn)采用雙通道渦流加熱器取代電加熱器。該雙通道渦流加熱器設(shè)計(jì)的工作壓力為6.9MPa，試驗(yàn)壓力為10.3MPa，加熱功率隨上下游壓比的變化而變化。雙通道渦流加熱器可以同時(shí)加熱2路天然氣，即1臺(tái)加熱器可以同時(shí)為2臺(tái)調(diào)壓閥指揮器加熱。渦流加熱器安裝見圖2。渦流加熱器的渦流氣出口溫度較低，因此渦流氣出口與下游管道之間的連接應(yīng)盡量短，出口管徑盡量大，彎頭盡量少(最好為直管段)，以防止出口管道發(fā)生冰堵。在出口處需安裝一個(gè)節(jié)流閥來控制渦流氣流量，以控制加熱溫度。在渦流加熱器渦流氣進(jìn)口處安裝一個(gè)直徑為12.7mm的小球閥，便于控制渦流加熱器的工作。從上游引壓管引入的高壓天然氣經(jīng)過渦流加熱器加熱后，進(jìn)入調(diào)壓閥指揮器。在指揮器節(jié)流降溫后，天然氣的溫度仍然高于工作狀態(tài)下天然氣的水露點(diǎn)，有效地防止了冰堵。渦流加熱器安裝簡單，所有連接處均可采用卡套接頭連接[5]。
 

    對這兩種加熱方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析比較，得知渦流加熱器雖然造價(jià)較高，但具備安裝方便、免維護(hù)、無運(yùn)行成本、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，其實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用為2200元/a，約占電加熱器運(yùn)行費(fèi)用的1/4。因此，采用渦流加熱器的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢更明顯。
    鄭志等人[6]以火用概念為基礎(chǔ)，以火用平衡為工具，對透平膨脹機(jī)、渦流管、節(jié)流閥3種典型的燃?xì)庹{(diào)壓裝置進(jìn)行了全面的熱力學(xué)分析，結(jié)果表明：透平膨脹機(jī)火用損失最小，效率最高；渦流管較節(jié)流閥具有更高的制冷效率，分離后的冷熱流體可通過塞貝克效應(yīng)，利用溫差發(fā)電；另外，渦流管具有較好的分離效果，可用于天然氣的脫水、脫除雜質(zhì)。
4 結(jié)語
    由于具備諸多優(yōu)點(diǎn)，渦流管在國外已得到了較廣泛的應(yīng)用。但在我國，這方面的實(shí)驗(yàn)研究、理論研究和應(yīng)用研究較少。相信在引進(jìn)國外渦流管技術(shù)的同時(shí)，加強(qiáng)對渦流管的研究工作，渦流管裝置將會(huì)在國內(nèi)有很好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)：
[1] 丁永鋼，侯予，熊聯(lián)友.渦流管的應(yīng)用[J].低溫工程，2004(1)：56-59.
[2] 徐正斌.渦流管技術(shù)在天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用前景[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28(1)：41-44.
[3] 孫潔.城市門站壓力能回收設(shè)備研究應(yīng)用進(jìn)展[J].煤氣與熱力，2010，30(7)：A21-A23.
[4] 宋輝，張新軍，汪長永，等.天然氣超音速脫水試驗(yàn)研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(1)：50-53.
[5] 熊長征，陳川，尹克江，等.渦流管加熱技術(shù)在天然氣工業(yè)中的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28(6)：69-79.
[6] 鄭志，王樹立，宋琦，等.天然氣調(diào)壓裝置不可逆損失的比較與分析[J].低溫與特氣，2009，27(1)：18-21.
 
(本文作者：沈杰 席旺 天津市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司 天津 300010)