涡流管技术在天然气输配,调压系统中的应用

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摘要：涡流管是一种结构简单的能量分离装置，具有制冷、制热、分离等多种功能。本文在广泛分析国外涡流管技术的基础上，介绍了涡流管的结构和工作原理，特别是其在天然气输配调压系统中的应用。由于它可以将天然气自身的压降能转化为热能，进行自加热，从而免除了在线加热的必要，并且具有节能、环保、免维护等优点。

关键词：涡流管、天然气、调压

中图分类号：F407文献标识码： 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 needn’t any maintenance.

Keywords:vortex tube; natural gas; pressure-regulating.

中图分类号：TE832 文献标识码 ：A

1引言

涡流管是一种结构简单的能量分离装置。它除了具有制冷、制热、抽真空、分离等多种功能外，还具有结构简单、无运动部件等优点；从而可以做到免维护，不用氟利昂或其他化学冷媒，无需用电就能产生明显的冷却和加热效果；操作方便、运行安全可靠、造价低廉。由于具有以上多种功能和优点，涡流管有着广阔的应用前景，可以应用于很多行业。例如工业方面：工具冷却，小型空调，便携式制冷器；生物医学方面：生物冷冻，内外科手术；航空方面：空气调节，电子设备的冷却、除冰；科研方面：热电偶的冷结点恒温，温度计的测定等 [1]。但在我国，由于过去片面强调了涡流管的低效率，忽略了其独特的优越性，这方面的研究开展的很少，应用几乎为零。而国外已将该技术广泛应用于天然气、航空、工业等领域，尤其是近年来天然气工业的迅速发展，为涡流管的应用提供了广阔的用武之地。

2 涡流管的结构及工作原理

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。

图1 涡流管构造图

Fig. 1 The structure of vortex tube

图2 涡流室剖面图

Fig.2 A cross-sectional view of the room of vortex tube

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106r/min，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，由冷端孔板流出，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”。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[2]。

尽管涡流管在结构和操作上非常简单，但管内发生的能量交换过程却极其复杂。关于涡流管温度分离机理的解释有很多种，包括：动能传递、热传递、绝热冷却理论、紊流能量交换理论、声流理论等等[1]。以下是一种比较简单的解释。高压气体经喷嘴膨胀后，几乎以自由涡流形式进入涡流室。在涡流室内，气流的边界角速度小，但近中心点角速度大，由于惯性力，最终要使所有气流的角速度相等，因此气流在向前流动的过程中，内层气流速度逐渐降低，外层气流速度则逐渐增大。即功从内层传向外层，内层气流膨胀做功，温度降低，外层气流的温度则开始升高。与此同时，热量也向内层中心传递，但比功的传递来的慢，外层气流获得的动能比其失去的热能多，且这些动能在热气管中由于摩擦最终转化为内能，使外层气流温度不断升高[3]。

3 涡流管在天然气输配调压系统中的应用

为了提高传输效率，一般都是将天然气高压传输，在到达用户之前再进行逐级降压。而压缩天然气的减压过程是一个绝热膨胀过程，焦汤效应的存在使其温度降低，这样就会产生冷凝、甚至冻堵的现象，因此需要伴热系统提供热源。目前主要使用电加热或燃气锅炉加热。而很多调压站都是处于野外，如果使用电加热，还要拉接电线，不方便也不经济。而使用燃气锅炉加热一般是从传输的燃气中分出一股作为锅炉的能源，利用一个很大的热水套加热主管线本身，这样就需要消耗大量的燃气，并且燃气的燃烧还会造成大气污染。在美国，一个外部在线加热器每年要消耗燃气大约18万m3到180万m3，相当于每年烧掉价值$52,000到$520,000。而且以上两种方式还都需要有工作人员控制监视，安全性也不高。

而将涡流技术应用于天然气传输系统时，就可以直接利用天然气降压产生的热能来进行自加热，从而免除了在线加热的必要，既节能又环保。而且一旦安装就不再需要人来维护。所以说将涡流管技术应用于天然气行业具有广阔的前景。

3.1 涡流先导燃气加热器（VPGH）

涡流先导燃气加热器(Vortex Pilot Gas Heater)，简称VPGH，用于天然气输配调压站，对调压器的先导燃气进行加热，以防止先导燃气冷凝。如图3所示。

图3涡流先导燃气加热器

Fig. 3 Vortex pilot gas heater

3.1.1 工作原理及特点

在此特定的应用场合中，根据涡流管的工作原理，对传统的涡流管进行了改进，如图4所示，将热端管堵死。由于热气流无法直接排走，导致热端管管壁温度越来越高。

图4 改进的涡流管

Fig. 4 Improved vortex tube

VPGH的核心是涡流加热器（VH），它在燃气存在压差时工作，将燃气减压产生的能量转化成高温热气流，并通过加装在涡流加热器上的热交换器加热先导燃气。如图5所示。

图5 涡流先导燃气加热器原理图

Fig.5 The schematic diagram of VPGH

在与冷气流混合前，一部分热气流用来加热涡流管入口的泻压喷嘴，以防止冷凝，如图6所示。

图6 部分热气流加热涡流管入口喷嘴

Fig.6 Part of hot gas heats the nozzle of vortex tube

VPGH具有以下特点：无运动部件，免维护；用涡流管燃气减压分离的热能加热先导燃气，可将先导燃气加热到32ºC；对潮湿燃气不敏感，可安装在水下进行；无燃气损失，无过热现象，易于设计、安装或对现有系统进行改造。

VPGH可在一个很宽的操作范围内有效运行。比如单独使用在压降达1000psi(69Bar)或在户外环境温度为-42ºC的条件下均可正常工作。在燃气含硫时，VPGH还可保持硫成分处于气相状态，因此可防止硫沉积在先导燃气入口处造成堵塞。

3.1.2安装运行

涡流先导燃气加热器应按图7所示垂直安装。建议涡流加热器进气管位于燃气管线的顶部。应特别注意防止管道密封剂进入涡流加热器入口。

图7 VPGH实物安装图

Fig.7 Installation of VPGH

VPGH的安装流程如图8所示。调压器上游主管线的高压气流经T型三通管从两侧进入涡流加热器，也即涡流管的入口喷嘴处，经减压后，冷热气混合从冷端管排到下游。上游的先导燃气进入涡流加热器，经热交换后获取热量，并以上游气流相同的压力，直接加热先导阀。图中２为Fisher 627M监控阀，其压力传感器与调压器下游的低压管线相连，为下游的管线系统提供过压保护，当下游压力超出设定压力值时关闭阀门。

当调压站流量低时，VPGH起着初级调压器的作用，而主调压器关闭，这样就减少了主调压器的维护。

1.VPGH；2.Fisher 627M监控阀；3.4 截止阀；5.先导燃气过滤器；6.启动压力显示表

Ι.涡流气源；Ⅱ.涡流入口；Ⅲ.涡流出口；Ⅳ. 先导负荷；Ⅴ.控制线；Ⅵ.T型三通管

图8 VPGH安装流程图

Fig.8 The installation process of VPGH

3.2 涡流自热燃气调压器（VPR）

涡流自热燃气调压器（Vortex Pressure Regulator），简称VPR，可用于天然气调压站中压力的调节，取消了用调压器调压时需加装的在线加热器。如图9所示。

图9涡流自热燃气调压器VPR

Fig.9 Vortex pressure regulator

3.2.1 工作原理及特点

涡流自热燃气调压器（VPR）内燃气减压产生涡流“热量”和“冷量”，这两部分能量在VPR的低压区共存。移走冷量负荷，结果使燃气冷流部分的温度升高。将VPR内热流燃气与被加热的冷流燃气结合，即可达到需要的燃气温度。

去除涡流管冷气流中冷负荷，是通过预设在涡流管邻近的热交换器来实现的。冷气流的低温（-28ºC至-34ºC）使这一过程简单和高效，具体设计如图10所示。

1.涡流管；2.燃气/乙二醇交换器；3.冷能利用

图10 涡流燃气调压器的设计图

Fig.10 The design drawing of VPR

热交换得到的冷负荷可用于满足调压站附近工业冷却的需要（如工艺冷却、冷库、附近建筑空调等），可采用乙二醇循环把冷负荷输送到需要的地方。例如：在发电厂和压缩机站，涡流冷能可用于冷却油等很多方面。再如在液化石油气处理厂都有燃气调压器，涡流冷能可用于液化石油气的预冷却，可以节省大量的能源。

若燃气调压站附近没有涡流冷能的工业应用，但冬天环境温度相对较高时，涡流冷能可以简单的排放到大气中，只需一个带有散热片的热交换器和一个鼓风机就可以。为防止散热片结冰，有必要准备一个备用的热交换器。

采用这种方法，不仅取消了在线加热器和它昂贵的操作费用，避免了空气污染，而且还产生了免费的冷能。

VPR具有以下特点：在天然气减压的同时产生热量输出，是无需外部加热的自加热设备；对任何质量的天然气，皆可稳定运行且无冷凝；无天然气损失，无运动部件，免维护，易于在新的设施上安装或对现有系统进行技术改造。

3.2.2安装运行

涡流自热燃气调压器（VPR）系统安装时，需在VPR上安装一个过压保护监控阀，以防止下游燃气在零需求时，产生过压。这个阀门（通常是

Fisher627M型）与VPR的下游管线相连，它的设定值与传输的压力相当。

VPR的安装示意图如下：

1.VPR；2.监控阀；3.传感器线路

图11 VPR安装示意图

Fig.11 Installation of VPR

在高流量情况下，Fisher 627M阀门开度大，VPR担当全部的减压任务。当用户需求有较大下降时，Fisher 627M阀门开始用于燃气截流，当用户需求继续降低，费希尔726M阀压差增大，用户需求为零时关闭。

低流量的情况下，Fisher 627M阀和下游管道VPR燃气压差的模式与前述VPGH类似。

当燃气需求较大时，可安装多个不同规格的VPR同时运行，以满足用户需要。为了更好的反映燃气需求的变化，每个VPR系统上游管线的Fisher 627M阀都有一个独立的压力设定值。

燃气调压站（带有4套VPR）的示意图如下：

1.VPR；2.监控阀（Fisher 627M）；3.传感器线路

图12多个VPR安装示意图

Fig.12 Installation of multi-VPR

3.3 天然气在涡流管内冷热温度分离效果

当天然气在涡流管内冷热分离比为1：1时 (也即T冷= T热时 ，冷热温度分离效果如下表：

表1 天然气在涡流管内冷热分离比

为1：1时的冷热温度分离效果

Table.1 The separate effect of vortex tube

when separate ratio of cold and hot gas is 1:1

涡流实际温度如下：

T冷=T入口-TJT-T冷

T热= T入口-TJT +T热

其中，TJT表示由JT效应产生的温降。

例如：P0=600PSIG；P1=150PSIG （则p=4）；TJT=13ºC，T0=10ºC

T冷=10-13-29= -32ºC

T热=10-13+29=26ºC

该例表明涡流管的加热和制冷效果还是相当显著的 [4] 。

4 总结

通过以上分析可以发现涡流管具有无运动部件，免维护；环保；安装便捷，对现有系统进行技术改造方便；并且造价低廉等优点。将涡流管技术应用于天然气调压系统，就可以直接利用天然气降压产生的热能来进行自加热，从而免除了在线加热的必要，既节能又环保。

目前是我国天然气工业发展的关键时期，相信涡流管技术的注入必将会促进其飞跃发展。

参考文献

[1] 曹勇，吴剑峰.涡流管研究的进展与评述. 低温工程，2001年，第6期，第2页.

[2] 丁永钢，侯予，熊联友.涡流管的应用. 低温工程，2004年，第1期，第56页.

[3] 陈钧，工业机柜涡流管制冷装置性能试验研究.硕士学位论文，2005年6月.

[4] Dr. Lev Tunkel， Universal Vortex，Inc. USA.