涡流管的原理及在天然气领域的应用_工程实践

摘要

摘要：分析了涡流管的原理和特性，介绍了涡流管在国内外天然气领域中的应用。关键词：涡流管；涡流管效应；天然气液化Principle and Application of Vortex Tube in Natural Gas Doma

摘要：分析了涡流管的原理和特性，介绍了涡流管在国内外天然气领域中的应用。

关键词：涡流管；涡流管效应；天然气液化

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 涡流管的原理

涡流管又称Ranque Hilsch管，是一个没有运动部件、结构非常简单的能量分离装置^[1]。气体在降压过程中，经过特殊设计的涡流管时，可以分为冷热两股气流，这种现象称为涡流管现象，见图1。

涡流管工作时，压缩气体通过一个或多个喷嘴时发生膨胀，沿切线方向进入涡流管，形成高速旋转的涡流体，其转速可高达10⁶r/min，涡流体沿管壁向热端运动，通过热端控制阀释放出部分热气流，没有出去的气流向回运动，在外侧涡流内部形成一个较小的涡流体。根据角动量守恒原理，内侧涡流体的角速度高于外侧涡流体的角速度，两个涡流体之间的摩擦力使气体还原为同一角速度运动，就像固体旋转一样。这样就导致内层减速和外层被加速，其内层损失了部分动能，温度下降，外层接收内层能量，温度上升。其结果是，一股高压气流经涡流管减压处理后，将会在管中心产生一股很冷的冷流，在外侧产生一股很热的热流。由于涡流管内强烈的离心作用，中心的冷流气体为干燥气体，外侧高温气体则集中了涡流管效应(含节流效应)产生的所有液体^[2]。通过改变热端的控制阀，可以调节冷热气体的比例，从而实现不同的冷热分离温度。有实验表明，当高压气体为常温时，冷气流温度可以达到-10～-50℃，而热气流温度可以达到100～130℃。

2 涡流管的特性

自发明涡流管以来，国际上进行了大量的实验研究和理论研究，涡流管的很多独特特性使其在很多特殊领域得到了应用。首先，涡流管没有运动部件，这样就有较高的可靠性；其次，无需电等能源，可以应用于对安全要求高的地方，比如防火防爆、不能有火花产生的地方；另外，还有重量轻、体积小、成本低、免维护、及时冷却、温度可调等特点，如果采用不锈钢材料制作会有很长的寿命^[1]。

3 涡流管在天然气行业的应用与研究

涡流管可以应用于天然气露点控制、轻烃回收、天然气液化、燃料气处理和替代电伴热等领域。

① 国外的应用与研究

从20世纪90年代开始，国外尝试将涡流管技术应用于天然气工业，并取得了突破性进展。

1996年，德国一家公司在一套三甘醇装置之后设置了涡流管装置，以降低天然气的烃露点，保证下游输配过程中烃不会冷凝。为了适应气量的变化，涡流管使用了四喷嘴集管头，每个集管头有一个控制阀。通过这种改进，设计操作范围可在10%～100%变化，该系统已在欧洲和美国取得专利。该系统自1996年7月交付使用后，一直连续工作。系统测评结果表明，使用一定的压力降就可以获得很好的露点控制效果心一。

俄罗斯将涡流管技术主要用于城市门站，利用调压过程中的压力降，不需要消耗额外的能量就可以将天然气液化，这类装置被称为新一代天然气液化装置。列宁格勒输气公司的2座城市门站均建立了小型LNG生产装置。该装置的操作压力为3.0～7.5MPa，处理天然气量为(7.2～43.2)×10⁴m³/d，液化率为6%～14%，占地面积为16m²^[3]。

美国UVI公司分别开发了美国UVI涡流先导燃气加热器、美国UVI涡流轻烃回收装置等。涡流先导燃气加热器用于天然气输配调压站，防止先导燃气产生冷凝。涡流先导燃气加热器的核心部件是涡流加热器，它将燃气减压产生的能量转化成高温热气流，这个高温热气流加热安装在涡流加热器壁上的热交换器，先导燃气通过热交换器时被加热。部分热气流也用来加热涡流管入口的减压喷嘴以防止冷凝。UVI公司独特的涡流管可以在潮湿的、甚至入口气流为两相流的条件下运行，并可产生温差很大的冷、热气流。在涡流管中，焦耳-汤姆逊效应与涡流冷却效应相叠加，这样，在相同条件的阀门上，使用涡流效应得到的天然气温度总是低于使用焦耳-汤姆逊效应所得到的天然气温度，因此能以更低的温度回收天然气中的轻烃，即回收相同数量的天然气中的轻烃，使用涡流管可减小膨胀率，即减少了压缩成本。目前，这些产品已在很多国家得到了应用。

② 国内的应用与研究

胜利工程设计咨询公司在室内试验的基础上，于2006年自行研究设计了一套天然气超声速脱水试验装置，由进口分离器、二级分离器、涡流管、流量计、调节阀、减压阀、露点仪组成。2006年11月，该装置在胜利油田海洋开发公司海五联合站进行了现场试验，取得了良好的脱水效果^[4]。

武汉西计量站来自西气东输淮武管道的天然气压力为5.0MPa，而下游供气压力约为1.4MPa。因此，在调压分输时，存在较大的节流。调压橇采用“紧急切断阀+监控调压阀+工作调压阀”的调压模式。监控调压阀的指挥执行机构主要由预调器和指挥器组成，预调器和指挥器中均存在节流。调压橇工作时，由于指挥器的出口气体温度较低，且天然气本身含有水或水合物，低温时水容易冷凝成冰，堵塞指挥器阀口，造成调压橇工作失效。原来主要采取电加热的方法防止冰堵，现采用双通道涡流加热器取代电加热器。该双通道涡流加热器设计的工作压力为6.9MPa，试验压力为10.3MPa，加热功率随上下游压比的变化而变化。双通道涡流加热器可以同时加热2路天然气，即1台加热器可以同时为2台调压阀指挥器加热。涡流加热器安装见图2。涡流加热器的涡流气出口温度较低，因此涡流气出口与下游管道之间的连接应尽量短，出口管径尽量大，弯头尽量少(最好为直管段)，以防止出口管道发生冰堵。在出口处需安装一个节流阀来控制涡流气流量，以控制加热温度。在涡流加热器涡流气进口处安装一个直径为12.7mm的小球阀，便于控制涡流加热器的工作。从上游引压管引入的高压天然气经过涡流加热器加热后，进入调压阀指挥器。在指挥器节流降温后，天然气的温度仍然高于工作状态下天然气的水露点，有效地防止了冰堵。涡流加热器安装简单，所有连接处均可采用卡套接头连接^[5]。

对这两种加热方式进行经济分析比较，得知涡流加热器虽然造价较高，但具备安装方便、免维护、无运行成本、使用寿命长等优点，其实际运行费用为2200元/a，约占电加热器运行费用的1/4。因此，采用涡流加热器的经济效益优势更明显。

郑志等人^[6]以火用概念为基础，以火用平衡为工具，对透平膨胀机、涡流管、节流阀3种典型的燃气调压装置进行了全面的热力学分析，结果表明：透平膨胀机火用损失最小，效率最高；涡流管较节流阀具有更高的制冷效率，分离后的冷热流体可通过塞贝克效应，利用温差发电；另外，涡流管具有较好的分离效果，可用于天然气的脱水、脱除杂质。

4 结语

由于具备诸多优点，涡流管在国外已得到了较广泛的应用。但在我国，这方面的实验研究、理论研究和应用研究较少。相信在引进国外涡流管技术的同时，加强对涡流管的研究工作，涡流管装置将会在国内有很好的应用前景。

参考文献：

[1] 丁永钢，侯予，熊联友.涡流管的应用[J].低温工程，2004(1)：56-59.

[2] 徐正斌.涡流管技术在天然气领域的应用前景[J].油气储运，2009，28(1)：41-44.

[3] 孙洁.城市门站压力能回收设备研究应用进展[J].煤气与热力，2010，30(7)：A21-A23.

[4] 宋辉，张新军，汪长永，等.天然气超音速脱水试验研究[J].山东建筑大学学报，2009，24(1)：50-53.

[5] 熊长征，陈川，尹克江，等.涡流管加热技术在天然气工业中的应用[J].油气储运，2009，28(6)：69-79.

[6] 郑志，王树立，宋琦，等.天然气调压装置不可逆损失的比较与分析[J].低温与特气，2009，27(1)：18-21.

(本文作者：沈杰席旺天津市燃气集团有限公司天津 300010)