渦流溫度分離技術在天然氣行業的應用

黃杉

關鍵字：渦流管;朗格一希爾茨效應;焦湯效應;自適應

1、前言

著重研究渦流效應在天然氣輸配行業的加熱效果及推廣應用價值，通過對渦流特性分析，然氣輸配系統運行特征分析.得出渦流加熱的優越眭。雖然渦流技術已在很多工業領域得到廣泛的應用，但目前為止，天然氣領域的渦流技術應用依然處于起步階段，由于其獨特的優勢，決定了渦流技術將在天然氣行業有廣泛的應用前景。

2、渦流現象及渦流溫度分離技術

渦流現象是在1928年的一個相當偶然的發現，法國物理學家喬治.朗格在做物理實驗時察覺這一奇怪的現象，在沒有任何可移動零部件的簡單裝置里面，同時出現了不同溫度的冷、熱空氣，因此他開始著手研究、開發這種頗具商業應用前景的裝置，然而，他因研究沒有獲得實質性進展而沉寂了。到了1945年德國物理學家魯道夫.希爾茨對這一現象進行了進一步研究和對渦流管改進。取得了相當好的成果，并于1947年發表了他的研究與改進成果的技術論文，因此，渦流現象廣泛傳播開來。后來人們為紀念這兩位發現并研究渦流現象的科學先驅，就將渦流效應稱作朗格一希爾茨效應，同時將產生這種現象的裝置渦流管叫朗格一希爾茨效應管。高壓氣體從噴嘴處進入，經噴嘴內膨脹加速后，以很高的速度沿切線方向進入渦流。氣流在渦流室內形成高速渦旋，經過渦流變換后產生溫度的分離。處于中心部位的氣流溫度較低，由冷端孔板流出，形成冷氣流;而處于外層部位的氣流溫度較高，從熱端經調節閥流出，形成熱氣流，這一現象即被稱為“渦流效應”。調節裝存熱端的針形調節閥可用于調節冷熱流比例，從而得到最佳制冷或制熱效應。

3、優化渦流管熱結構以適應在天然氣行業的應用

渦流管特定的結構決定了其明顯而有效的制冷和加熱功能，在一般情況下，渦流發生器的流道特征、渦流發生器的內腔幾何特征、熱管的長度、直徑、渦流管內腔壁的處理方式、渦流管冷熱端幾何尺寸的比例等因素決定了渦流管能量分離的效率。在天然氣應用上，如何將渦流管的制熱效應發揮到最大化，是我們著重考慮的問題。首先，加熱方式上，我們不能采用渦流管產生的高溫天然氣來直接加熱消除因焦湯效應而產生的凍堵問題，因為，渦流管的處理功率有限，而且產生的熱氣量占總處理氣量的份額（熱效比）有限，因此直接加熱大量因焦湯效應而產生的低溫天然氣是不可能的，因此我們只能考慮間接加熱，也就是利用渦流管的制熱管的外壁熱量來進行有效的熱交換，這樣達到加熱效果。不但如此，我們還要解決渦流管的熱端產生的熱氣走向問題，因為天然氣行業是不允許有任何氣體泄露的，我們不能因為加熱而泄放熾熱的大然氣。其次，渦流管通常是減壓狀態下工作的，因此焦湯效應和渦流效應疊加的結果是制冷量大于制熱量，也就是其熱效相當有限，我們如何來通過改善渦流管的幾何特征來提高渦流管的熱效以滿足我們的加熱需要。最后一個問題就是，渦流管是一個減壓能量分離裝置，我們如何解決減壓過程中的焦湯效應而造成的渦流管本身的減壓凍堵問題。為此渦流管的結構因天然氣加熱的特殊性必須作兩個階段的改進。因為傳統意義上的渦流管運行時很大一部分熱量散發是通過熱端的渦流熱氣散發我們對熱端進行減小熱氣散失的處理（局部封堵口），可以將原來散失的大部分熱量轉移到熱端管的管壁，這樣，由于渦流效應過程的連續累積和強化，勢必造成渦流管熱管管壁溫度的大幅度上升，這與傳統的雙流渦流管相比，渦流管熱端管壁的溫度大大提高，從而給我們需要的壁式熱交換提供更有效的可能性。因為天然氣是多種烴類、水份和其他部分雜質組成的混合物，因此，在輸配過程中的劇烈減壓時，部分物質因為露點很高，容易因冷凝造成液化和固化，這樣勢必造成渦流裝置本身在工作時產生嚴重的凍堵，為了解決這個問題，我們從渦流管熱端取出部分渦流熱氣來加熱渦流管這個容易凍堵的減壓口（渦流管本身的渦流氣入口）。這樣通過以上兩個程序的改造，傳統意義上的雙流渦流管就變成了自熱型單流渦流管。在天然氣輸配過程中，因減壓膨脹吸熱（焦湯效應）而造成主輸配干線凍堵的情況并不多見，因為主管線管徑很大，而且天然氣輸配主管線中調壓閥開度一般都很大，在調壓閥打開瞬間雖然出現劇烈的溫降過程，但因為巨大的壓差和強烈的氣流沖擊，因此主干線雖然有溫降現象但不至于產生嚴重的凍堵現象，但是，對于先導氣的情況就不一樣了，由于上下游壓差很大，加之先導閥的引壓管管徑較小，先導氣的氣流量也很小，因此，只要焦湯效應條件存在，就極容易出現凍堵現象，這樣就容易造成調壓過程處于嚴重的失控狀態，所以，傳統的辦法使用外界能源對先導氣進行加熱。如安裝電加熱棒，纏繞電伴熱帶。在此，我們則采用的是渦流先導燃氣加熱器。如上文所述，在解決了渦流制熱效率、加熱方式和渦流管本身凍堵問題以后，我們就可以將這樣的渦流管進行進一步改進成可以直接給先導氣加熱的設備一一渦流先導燃氣加熱器。

4、結束語

綜合以上簡介和VPGH本身的特性，我們可以得出帶有VPGH加熱系統帶有十分明顯的優越性，對天然氣管道調壓站進行VPGH加熱改造能真正體現安全、環保、節能等優越性，因而VPGH的推廣應用十分必要。

正是基于以上原因，我們認為，VPGH是天然氣輸配系統中調壓設備先導氣加熱環節的十分優秀的附屬加熱設備，它必將在這個領域中發揮十分重要的作用。但應注意，在安裝VPGH時需要調壓設備專業工程師配合指導安裝，以免影響調壓設備的正常運行。