涡流温度分离技术在天然气行业的应用

黄杉

关键字：涡流管;朗格一希尔茨效应;焦汤效应;自适应

1、前言

着重研究涡流效应在天然气输配行业的加热效果及推广应用价值，通过对涡流特性分析，然气输配系统运行特征分析.得出涡流加热的优越眭。虽然涡流技术已在很多工业领域得到广泛的应用，但目前为止，天然气领域的涡流技术应用依然处于起步阶段，由于其独特的优势，决定了涡流技术将在天然气行业有广泛的应用前景。

2、涡流现象及涡流温度分离技术

涡流现象是在1928年的一个相当偶然的发现，法国物理学家乔治.朗格在做物理实验时察觉这一奇怪的现象，在没有任何可移动零部件的简单装置里面，同时出现了不同温度的冷、热空气，因此他开始着手研究、开发这种颇具商业应用前景的装置，然而，他因研究没有获得实质性进展而沉寂了。到了1945年德国物理学家鲁道夫.希尔茨对这一现象进行了进一步研究和对涡流管改进。取得了相当好的成果，并于1947年发表了他的研究与改进成果的技术论文，因此，涡流现象广泛传播开来。后来人们为纪念这两位发现并研究涡流现象的科学先驱，就将涡流效应称作朗格一希尔茨效应，同时将产生这种现象的装置涡流管叫朗格一希尔茨效应管。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。气流在涡流室内形成高速涡旋，经过涡流变换后产生温度的分离。处于中心部位的气流温度较低，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”。调节装存热端的针形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。

3、优化涡流管热结构以适应在天然气行业的应用

涡流管特定的结构决定了其明显而有效的制冷和加热功能，在一般情况下，涡流发生器的流道特征、涡流发生器的内腔几何特征、热管的长度、直径、涡流管内腔壁的处理方式、涡流管冷热端几何尺寸的比例等因素决定了涡流管能量分离的效率。在天然气应用上，如何将涡流管的制热效应发挥到最大化，是我们着重考虑的问题。首先，加热方式上，我们不能采用涡流管产生的高温天然气来直接加热消除因焦汤效应而产生的冻堵问题，因为，涡流管的处理功率有限，而且产生的热气量占总处理气量的份额（热效比）有限，因此直接加热大量因焦汤效应而产生的低温天然气是不可能的，因此我们只能考虑间接加热，也就是利用涡流管的制热管的外壁热量来进行有效的热交换，这样达到加热效果。不但如此，我们还要解决涡流管的热端产生的热气走向问题，因为天然气行业是不允许有任何气体泄露的，我们不能因为加热而泄放炽热的大然气。其次，涡流管通常是减压状态下工作的，因此焦汤效应和涡流效应叠加的结果是制冷量大于制热量，也就是其热效相当有限，我们如何来通过改善涡流管的几何特征来提高涡流管的热效以满足我们的加热需要。最后一个问题就是，涡流管是一个减压能量分离装置，我们如何解决减压过程中的焦汤效应而造成的涡流管本身的减压冻堵问题。为此涡流管的结构因天然气加热的特殊性必须作两个阶段的改进。因为传统意义上的涡流管运行时很大一部分热量散发是通过热端的涡流热气散发我们对热端进行减小热气散失的处理（局部封堵口），可以将原来散失的大部分热量转移到热端管的管壁，这样，由于涡流效应过程的连续累积和强化，势必造成涡流管热管管壁温度的大幅度上升，这与传统的双流涡流管相比，涡流管热端管壁的温度大大提高，从而给我们需要的壁式热交换提供更有效的可能性。因为天然气是多种烃类、水份和其他部分杂质组成的混合物，因此，在输配过程中的剧烈减压时，部分物质因为露点很高，容易因冷凝造成液化和固化，这样势必造成涡流装置本身在工作时产生严重的冻堵，为了解决这个问题，我们从涡流管热端取出部分涡流热气来加热涡流管这个容易冻堵的减压口（涡流管本身的涡流气入口）。这样通过以上两个程序的改造，传统意义上的双流涡流管就变成了自热型单流涡流管。在天然气输配过程中，因减压膨胀吸热（焦汤效应）而造成主输配干线冻堵的情况并不多见，因为主管线管径很大，而且天然气输配主管线中调压阀开度一般都很大，在调压阀打开瞬间虽然出现剧烈的温降过程，但因为巨大的压差和强烈的气流冲击，因此主干线虽然有温降現象但不至于产生严重的冻堵现象，但是，对于先导气的情况就不一样了，由于上下游压差很大，加之先导阀的引压管管径较小，先导气的气流量也很小，因此，只要焦汤效应条件存在，就极容易出现冻堵现象，这样就容易造成调压过程处于严重的失控状态，所以，传统的办法使用外界能源对先导气进行加热。如安装电加热棒，缠绕电伴热带。在此，我们则采用的是涡流先导燃气加热器。如上文所述，在解决了涡流制热效率、加热方式和涡流管本身冻堵问题以后，我们就可以将这样的涡流管进行进一步改进成可以直接给先导气加热的设备一一涡流先导燃气加热器。

4、结束语

综合以上简介和VPGH本身的特性，我们可以得出带有VPGH加热系统带有十分明显的优越性，对天然气管道调压站进行VPGH加热改造能真正体现安全、环保、节能等优越性，因而VPGH的推广应用十分必要。

正是基于以上原因，我们认为，VPGH是天然气输配系统中调压设备先导气加热环节的十分优秀的附属加热设备，它必将在这个领域中发挥十分重要的作用。但应注意，在安装VPGH时需要调压设备专业工程师配合指导安装，以免影响调压设备的正常运行。