防止燃?xì)庹{(diào)壓器結(jié)冰的方法

摘 要

摘要：論述了高-中壓調(diào)壓站4種防止調(diào)壓器結(jié)冰的加熱方法的原理、特點(diǎn)——管道電伴熱法、渦漩先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞鞣?、指揮器加熱器法、換熱器法。關(guān)鍵詞：調(diào)壓器結(jié)冰；電伴熱
摘要：論述了高-中壓調(diào)壓站4種防止調(diào)壓器結(jié)冰的加熱方法的原理、特點(diǎn)——管道電伴熱法、渦漩先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞鞣?、指揮器加熱器法、換熱器法。
關(guān)鍵詞：調(diào)壓器結(jié)冰；電伴熱；渦漩加熱器；渦流管；指揮器加熱器；換熱器
Methods for Preventing Icing on Gas Regulator
YI Dachun，JIANG Yuanjie，ZHANG Jianyi
Abstract：The principle and characteristics of four heating methods for preventing icing on regulators in high and medium pressure regulator stations，including pipeline electric heat tracing method，vortex pilot gas heater method，pilot heater method and heat exchanger method are discussed.
Key words：icing on regulator；electric：heat tracing；vortex heater；vortex tube；pilot heater；heat exchanger
1 概述
    天然氣在絕熱節(jié)流膨脹過(guò)程中，由于焦耳-湯姆遜效應(yīng)，通常會(huì)產(chǎn)生溫降，壓力每降0.2～0.3MPa，溫度約降低1℃。假設(shè)天然氣壓力從4MPa調(diào)節(jié)到0.4MPa，天然氣在調(diào)壓器出口的溫度將急劇下降12℃以上，特別是在冬天，當(dāng)氣溫為10℃以下時(shí)，調(diào)壓器出口溫度將降到-2℃以下。由于調(diào)壓器指揮器的導(dǎo)管或閥口相對(duì)口徑很小，如天然氣帶有水分及雜質(zhì)，將極有可能在調(diào)壓器指揮器的導(dǎo)管處或閥口處形成冰堵，進(jìn)而造成調(diào)壓器調(diào)壓功能失靈，高壓天然氣直接進(jìn)入調(diào)壓器下游管道，對(duì)用氣安全造成直接影響。對(duì)此，可通過(guò)局部提高調(diào)壓器入口天然氣溫度來(lái)保障調(diào)壓器的正常運(yùn)行。
2 防止調(diào)壓器結(jié)冰的常用方法
    常用的提高調(diào)壓器或調(diào)壓器指揮器入口天然氣溫度的方法主要有：管道電伴熱法、渦漩先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞鞣?、指揮器加熱器法、熱交換器法等，每種加熱方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
2.1 管道電伴熱法
   ① 電伴熱的功能
   電伴熱的功能是通過(guò)伴熱電纜用電能彌補(bǔ)管道燃?xì)庠谑褂眠^(guò)程中的熱損失或提高管道燃?xì)饩植康臏囟?，使管道燃?xì)饩植康臏囟染S持在一定的范圍內(nèi)。
    ② 管道電伴熱工作原理及安裝
    燃?xì)夤艿离姲闊峁ぷ髟砗?jiǎn)單，主要是由伴熱電纜通電升溫對(duì)管道表面直接加熱，并間接提升管道內(nèi)的燃?xì)鉁囟?sup>[1]，以達(dá)到保溫的作用。電伴熱裝置主要由保溫層、防水罩和伴熱電纜等組成(見(jiàn)圖1)。該種加熱方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，不受時(shí)間和空間限制，可在燃?xì)夤艿肋\(yùn)行時(shí)進(jìn)行安裝。

    ③ 特點(diǎn)
    優(yōu)點(diǎn)是電伴熱裝置簡(jiǎn)單、發(fā)熱均勻、響應(yīng)快捷，具有防爆、防火及自動(dòng)控制等特點(diǎn)，并且使用壽命長(zhǎng)，不污染環(huán)境，無(wú)需專職人員值守，采購(gòu)成本低，在天然氣流量較小的管道上使用有較大優(yōu)勢(shì)。
    缺點(diǎn)是如果管道內(nèi)天然氣流量較大時(shí)，加熱所耗費(fèi)的電能較大，造成運(yùn)行成本較高，并且要專門配備大功率變配電設(shè)備才能滿足用電需求；另外加熱方式屬于局部加熱，如果加熱量不足，調(diào)壓器出口氣流溫度可能過(guò)低，不能保障調(diào)壓器下游管道用氣設(shè)備的安全。
   ④ 電伴熱應(yīng)用
   石油天然氣行業(yè)中，主要用于防凍、防凝和工藝保溫，適用于流量較小的高-中壓調(diào)壓站、燃?xì)夤艿赖木植勘氐?sup>[2]。
2.2 渦漩先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞鞣?/span>
   ① 渦漩先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞鞴δ?/span>
   高壓燃?xì)馔ㄟ^(guò)渦漩先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞?以下簡(jiǎn)稱渦漩加熱器)時(shí)，渦漩加熱器將燃?xì)鉁p壓產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成高溫?zé)釟饬?，然后利用高溫?zé)釟饬鲗?duì)調(diào)壓器指揮器進(jìn)行加熱。
   ② 渦漩加熱器工作原理[3～4]
   渦漩加熱器外形簡(jiǎn)單(見(jiàn)圖2)，主要工作原理見(jiàn)圖3，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。
 

    高壓燃?xì)膺M(jìn)入渦漩加熱器時(shí)，在渦漩加熱器B、E入口通過(guò)壓力降低形成高動(dòng)能低壓氣流后，在渦漩加熱器渦漩室內(nèi)產(chǎn)生相向的兩股氣流，管中心一股很冷的氣流(即內(nèi)渦漩)從右向左流動(dòng)，靠近管壁的一股很熱的氣流(即外渦漩)從左向右流動(dòng)。這股熱氣流(外渦漩)用于加熱目的后，從外部管道流回左側(cè)與冷氣流匯合后，由渦漩加熱器D出口排到主調(diào)壓器出口的下游管段。被加熱的高壓燃?xì)庥蓽u漩加熱器的被加熱燃?xì)馊肟贏進(jìn)入，在渦漩加熱器內(nèi)被熱氣流(外渦漩)間接加熱，由渦漩加熱器的C出口進(jìn)入主調(diào)壓器的指揮器。
   ③ 工藝流程
   采用渦漩加熱器對(duì)進(jìn)入調(diào)壓器指揮器燃?xì)膺M(jìn)行加熱的工藝流程見(jiàn)圖5。
 

    a. 被加熱高壓燃?xì)庥砷y2處進(jìn)入旁通燃?xì)夤艿?，然后通過(guò)入口A進(jìn)入渦漩加熱器，高壓燃?xì)庠跍u漩加熱器內(nèi)被加熱后由渦漩加熱器C出口排出并進(jìn)入主調(diào)壓器指揮器。
    b. 起加熱作用的高壓燃?xì)庥砷y1進(jìn)入旁通燃?xì)夤艿?，?jīng)過(guò)監(jiān)控調(diào)壓器后由渦漩加熱器B、E兩個(gè)入口進(jìn)入渦漩加熱器，通過(guò)熱能轉(zhuǎn)換后形成與下游等同壓力的較低溫度燃?xì)庥蓽u漩加熱器D出口排出，經(jīng)過(guò)閥3進(jìn)入主調(diào)壓器下游低壓燃?xì)夤艿馈?/span>
    c. 與閥4連接的燃?xì)夤艿罏楸O(jiān)控調(diào)壓器的信號(hào)管道，主要功能是采集主調(diào)壓器下游的低壓燃?xì)舛螇毫?。監(jiān)控調(diào)壓器的出口壓力設(shè)置值稍大于主調(diào)壓器的出口壓力設(shè)置值，在主調(diào)壓器正常運(yùn)行時(shí)監(jiān)控調(diào)壓器處于全開(kāi)啟狀態(tài)，當(dāng)?shù)蛪喝細(xì)舛螇毫ι仙匠^(guò)主調(diào)壓器設(shè)置的壓力時(shí)，主調(diào)壓器關(guān)斷，監(jiān)控調(diào)壓器啟動(dòng)。這時(shí)從監(jiān)控調(diào)壓器出口進(jìn)入渦漩加熱器的燃?xì)鈮毫楸O(jiān)控調(diào)壓器的壓力設(shè)定值，與主調(diào)壓器下游的壓力值一致。此時(shí)，渦漩加熱器由于進(jìn)口B、E同出口D不存在壓力差，因而不起加熱作用，即渦漩加熱器停止加熱功能，實(shí)現(xiàn)渦漩加熱器的動(dòng)態(tài)加熱功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主調(diào)壓器的指揮器加熱的自動(dòng)控制。
   ④ 特點(diǎn)
   優(yōu)點(diǎn)是渦漩加熱器運(yùn)行穩(wěn)定，不需外部能源，運(yùn)行成本低，而且調(diào)壓器的入口壓力波動(dòng)時(shí)，渦漩加熱器的加熱量會(huì)通過(guò)進(jìn)出口燃?xì)鈮翰畹拇笮∽詣?dòng)變化。當(dāng)上、下游壓力差變大時(shí)，形成的焦耳-湯姆遜效應(yīng)明顯，高壓燃?xì)膺M(jìn)入渦漩加熱器后動(dòng)能變大，這樣對(duì)應(yīng)的渦漩加熱器加熱量增加；反之，上、下游壓力差較小時(shí)，形成的焦耳-湯姆遜效應(yīng)減小，高壓燃?xì)膺M(jìn)入渦漩加熱器后動(dòng)能變小，這樣對(duì)應(yīng)的渦漩加熱器加熱量減小。另外，渦漩加熱器還具有對(duì)濕燃?xì)獠幻舾?、運(yùn)行中無(wú)燃?xì)鈸p失、無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象出現(xiàn)、改造方便、免維護(hù)、無(wú)需人員值守等優(yōu)點(diǎn)。
    缺點(diǎn)是安裝工藝相對(duì)復(fù)雜；另外，該種加熱方式屬于局部加熱，如果調(diào)壓器出口氣流溫度過(guò)低，應(yīng)考慮調(diào)壓器下游管道用氣設(shè)備的安全性；再者，該產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)燃?xì)庑袠I(yè)應(yīng)用上屬于新產(chǎn)品，價(jià)格相對(duì)較高。
   ⑤ 安裝和應(yīng)用
   安裝：渦漩加熱器應(yīng)直立安裝，并且與燃?xì)夤艿赖倪B接位置應(yīng)在燃?xì)夤艿赖纳喜浚惭b時(shí)應(yīng)注意不要讓密封材料進(jìn)入渦漩加熱器的連接管道內(nèi)部，防止堵塞。
    應(yīng)用：在國(guó)外，自1999年制造出渦漩加熱器以來(lái)，該產(chǎn)品已經(jīng)在美國(guó)、加拿大、法國(guó)、西班牙、阿根廷、澳大利亞以及中東國(guó)家等安裝了1000多套。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)石油華中輸氣公司的武漢西計(jì)量站、中國(guó)石油蘭州輸氣分公司德令哈分輸站等均有使用。
2.3 指揮器加熱器法
   ① 指揮器加熱器功能
   為了避免調(diào)壓器指揮器在較大壓降情況下溫度下降而造成的結(jié)冰現(xiàn)象，對(duì)調(diào)壓器指揮器加裝指揮器加熱器。
   ② 組成與工作原理
   指揮器加熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由加熱部件(見(jiàn)圖6)、恒溫控制器和繼電器三部分組成，其中恒溫控制器和繼電器只能安裝在非防爆區(qū)域，通過(guò)導(dǎo)線對(duì)加熱部件進(jìn)行連接，加熱部件則通過(guò)配件安裝在調(diào)壓器指揮器上游信號(hào)管上，通過(guò)加熱部件中的加熱元件對(duì)指揮器信號(hào)管內(nèi)的燃?xì)膺M(jìn)行加熱。指揮器加熱器是通過(guò)不同的元器件的綜合作用達(dá)到自動(dòng)控制加熱的目的，原理見(jiàn)圖7，圖中的數(shù)字1～10為開(kāi)關(guān)接線端子編號(hào)，接線時(shí)按圖7要求，其中2、5端子為備用。設(shè)：
    t——設(shè)定的加熱控制溫度
    t0——氣體加熱前溫度
    t1——氣體加熱后溫度
 

    通過(guò)恒溫控制器面板設(shè)定加熱控制溫度t。接通電源后，溫度探頭感應(yīng)到氣體溫度，其值被恒溫控制器接收并比較。當(dāng)t0＜t時(shí)，控制器使開(kāi)關(guān)7、9閉合，使繼電器控制回路導(dǎo)通，從而使加熱回路導(dǎo)通，使氣體被加熱。當(dāng)感應(yīng)到溫度t1≥t時(shí)，控制器使開(kāi)關(guān)7、9斷開(kāi)，使繼電器控制回路斷開(kāi)，從而使加熱回路斷開(kāi)，加熱被終止。
    ③ 特點(diǎn)
    優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單，適用于天然氣管道流量相對(duì)不大的調(diào)壓站，加熱效率高，能有效地解決調(diào)壓器結(jié)冰問(wèn)題；可根據(jù)設(shè)定的溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工作；價(jià)格較低，無(wú)需專職人員值守；運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，只需消耗較少的電量。
    缺點(diǎn)是加熱器只適用于中小型調(diào)壓站的指揮器式調(diào)壓器，并且要配置電源；產(chǎn)品屬于局部加熱，如果調(diào)壓器前后壓差過(guò)大，調(diào)壓器出口氣流溫度可能過(guò)低，將不能保障調(diào)壓器下游管道用氣設(shè)備的安全。
   ④ 安裝及應(yīng)用
   該種加熱方式安裝簡(jiǎn)便，調(diào)壓器指揮器上游信號(hào)管通過(guò)串聯(lián)指揮器加熱器加熱部件來(lái)達(dá)到加熱目的，可在天然氣管道安裝后補(bǔ)裝，不占地，加熱效率高，并且在使用時(shí)可通過(guò)電源進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。
    應(yīng)用情況：在歐洲，已得到大規(guī)模使用。在國(guó)內(nèi)，河北天然氣有限責(zé)任公司沙河門站、中石油吉林天然氣管道有限責(zé)任公司部分門站、徐州港華燃?xì)獠糠终{(diào)壓站等均有使用。
2.4 換熱器法
   ① 換熱器功能
   通過(guò)循環(huán)熱水作為熱源對(duì)天然氣進(jìn)行加熱，以提高調(diào)壓器入口天然氣溫度，從而避免調(diào)壓器結(jié)冰。在天然氣行業(yè)，一般使用管殼式換熱器。
   ② 工作原理及設(shè)計(jì)要求
   循環(huán)水由燃?xì)鉄崴仩t提供熱源，燃?xì)饨?jīng)過(guò)換熱器時(shí)，通過(guò)熱交換得到升溫，然后進(jìn)入調(diào)壓器。熱水的基本參數(shù)一般為：供水溫度為80℃，回水溫度為65℃。換熱器換熱量的計(jì)算[5]應(yīng)按最惡劣的工況，保證在最不利條件下仍能使天然氣溫度達(dá)到規(guī)定值。換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，熱水管路要優(yōu)化，使水壓損失盡可能減小。工藝計(jì)算應(yīng)提供水側(cè)理論壓損值，理論壓損值應(yīng)控制在0.02MPa以內(nèi)。
    ③ 特點(diǎn)
    優(yōu)點(diǎn)是對(duì)進(jìn)入調(diào)壓器的所有天然氣進(jìn)行加熱，能確保調(diào)壓器及調(diào)壓器下游管段的運(yùn)行安全，并且配套產(chǎn)品(如熱水鍋爐)生產(chǎn)技術(shù)比較成熟，適用范圍廣(大中小型調(diào)壓站均可)。
    缺點(diǎn)是占地面積大，需增加循環(huán)水泵、熱水鍋爐、熱水管道、控制儀表等設(shè)備才能完成加熱循環(huán)；運(yùn)行費(fèi)用高，需要消耗大量熱能及電能，換熱器及配套的熱水鍋爐屬壓力容器，每年需要檢測(cè)；系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行管理有一定技術(shù)要求，需要專職人員值守，并且成套設(shè)備采購(gòu)成本高。
   ④ 安裝和應(yīng)用
   在安裝上，管道系統(tǒng)比較復(fù)雜，包括熱水管道、熱水泵、鍋爐、換熱器以及控制儀表等；在應(yīng)用上，該種換熱方法在國(guó)內(nèi)外各種高-中壓調(diào)壓站都有廣泛的使用。
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(本文作者：易達(dá)春1 蔣元杰1 張建一2 1.佛山市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 廣東佛山 528000；2.天津市塘沽燃?xì)庥邢薰?天津塘沽 300459)