渦流管的原理及在天然氣領域的應用

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外天然氣領域中的應用。關鍵詞：渦流管；渦流管效應；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外天然氣領域中的應用。
關鍵詞：渦流管；渦流管效應；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，是一個沒有運動部件、結構非常簡單的能量分離裝置[1]。氣體在降壓過程中，經過特殊設計的渦流管時，可以分為冷熱兩股氣流，這種現象稱為渦流管現象，見圖1。
 

   渦流管工作時，壓縮氣體通過一個或多個噴嘴時發生膨脹，沿切線方向進入渦流管，形成高速旋轉的渦流體，其轉速可高達106r/min，渦流體沿管壁向熱端運動，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動，在外側渦流內部形成一個較小的渦流體。根據角動量守恒原理，內側渦流體的角速度高于外側渦流體的角速度，兩個渦流體之間的摩擦力使氣體還原為同一角速度運動，就像固體旋轉一樣。這樣就導致內層減速和外層被加速，其內層損失了部分動能，溫度下降，外層接收內層能量，溫度上升。其結果是，一股高壓氣流經渦流管減壓處理后，將會在管中心產生一股很冷的冷流，在外側產生一股很熱的熱流。由于渦流管內強烈的離心作用，中心的冷流氣體為干燥氣體，外側高溫氣體則集中了渦流管效應(含節流效應)產生的所有液體[2]。通過改變熱端的控制閥，可以調節冷熱氣體的比例，從而實現不同的冷熱分離溫度。有實驗表明，當高壓氣體為常溫時，冷氣流溫度可以達到-10～-50℃，而熱氣流溫度可以達到100～130℃。
2 渦流管的特性
    自發明渦流管以來，國際上進行了大量的實驗研究和理論研究，渦流管的很多獨特特性使其在很多特殊領域得到了應用。首先，渦流管沒有運動部件，這樣就有較高的可靠性；其次，無需電等能源，可以應用于對安全要求高的地方，比如防火防爆、不能有火花產生的地方；另外，還有重量輕、體積小、成本低、免維護、及時冷卻、溫度可調等特點，如果采用不銹鋼材料制作會有很長的壽命[1]。
3 渦流管在天然氣行業的應用與研究
    渦流管可以應用于天然氣露點控制、輕烴回收、天然氣液化、燃料氣處理和替代電伴熱等領域。
    ① 國外的應用與研究
    從20世紀90年代開始，國外嘗試將渦流管技術應用于天然氣工業，并取得了突破性進展。
   1996年，德國一家公司在一套三甘醇裝置之后設置了渦流管裝置，以降低天然氣的烴露點，保證下游輸配過程中烴不會冷凝。為了適應氣量的變化，渦流管使用了四噴嘴集管頭，每個集管頭有一個控制閥。通過這種改進，設計操作范圍可在10%～100%變化，該系統已在歐洲和美國取得專利。該系統自1996年7月交付使用后，一直連續工作。系統測評結果表明，使用一定的壓力降就可以獲得很好的露點控制效果心一。
    俄羅斯將渦流管技術主要用于城市門站，利用調壓過程中的壓力降，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公司分別開發了美國UVI渦流先導燃氣加熱器、美國UVI渦流輕烴回收裝置等。渦流先導燃氣加熱器用于天然氣輸配調壓站，防止先導燃氣產生冷凝。渦流先導燃氣加熱器的核心部件是渦流加熱器，它將燃氣減壓產生的能量轉化成高溫熱氣流，這個高溫熱氣流加熱安裝在渦流加熱器壁上的熱交換器，先導燃氣通過熱交換器時被加熱。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行，并可產生溫差很大的冷、熱氣流。在渦流管中，焦耳-湯姆遜效應與渦流冷卻效應相疊加，這樣，在相同條件的閥門上，使用渦流效應得到的天然氣溫度總是低于使用焦耳-湯姆遜效應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，這些產品已在很多國家得到了應用。
    ② 國內的應用與研究
    勝利工程設計咨詢公司在室內試驗的基礎上，于2006年自行研究設計了一套天然氣超聲速脫水試驗裝置，由進口分離器、二級分離器、渦流管、流量計、調節閥、減壓閥、露點儀組成。2006年11月，該裝置在勝利油田海洋開發公司海五聯合站進行了現場試驗，取得了良好的脫水效果[4]。
    武漢西計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，在調壓分輸時，存在較大的節流。調壓橇采用“緊急切斷閥+監控調壓閥+工作調壓閥”的調壓模式。監控調壓閥的指揮執行機構主要由預調器和指揮器組成，預調器和指揮器中均存在節流。調壓橇工作時，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，低溫時水容易冷凝成冰，堵塞指揮器閥口，造成調壓橇工作失效。原來主要采取電加熱的方法防止冰堵，現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計的工作壓力為6.9MPa，試驗壓力為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加熱2路天然氣，即1臺加熱器可以同時為2臺調壓閥指揮器加熱。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)，以防止出口管道發生冰堵。在出口處需安裝一個節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口處安裝一個直徑為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過渦流加熱器加熱后，進入調壓閥指揮器。在指揮器節流降溫后，天然氣的溫度仍然高于工作狀態下天然氣的水露點，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行經濟分析比較，得知渦流加熱器雖然造價較高，但具備安裝方便、免維護、無運行成本、使用壽命長等優點，其實際運行費用為2200元/a，約占電加熱器運行費用的1/4。因此，采用渦流加熱器的經濟效益優勢更明顯。
    鄭志等人[6]以火用概念為基礎，以火用平衡為工具，對透平膨脹機、渦流管、節流閥3種典型的燃氣調壓裝置進行了全面的熱力學分析，結果表明：透平膨脹機火用損失最小，效率最高；渦流管較節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，利用溫差發電；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。
4 結語
    由于具備諸多優點，渦流管在國外已得到了較廣泛的應用。但在我國，這方面的實驗研究、理論研究和應用研究較少。相信在引進國外渦流管技術的同時，加強對渦流管的研究工作，渦流管裝置將會在國內有很好的應用前景。
參考文獻：
[1] 丁永鋼，侯予，熊聯友.渦流管的應用[J].低溫工程，2004(1)：56-59.
[2] 徐正斌.渦流管技術在天然氣領域的應用前景[J].油氣儲運，2009，28(1)：41-44.
[3] 孫潔.城市門站壓力能回收設備研究應用進展[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研究[J].山東建筑大學學報，2009，24(1)：50-53.
[5] 熊長征，陳川，尹克江，等.渦流管加熱技術在天然氣工業中的應用[J].油氣儲運，2009，28(6)：69-79.
[6] 鄭志，王樹立，宋琦，等.天然氣調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 天津市燃氣集團有限公司 天津 300010)