防止燃气调压器结冰的方法
2012-7-11易达春 蒋元杰 张建一
摘要:论述了高-中压调压站4种防止调压器结冰的加热方法的原理、特点——管道电伴热法、涡漩先导燃气加热器法、指挥器加热器法、换热器法。
关键词:调压器结冰;电伴热;涡漩加热器;涡流管;指挥器加热器;换热器
Methods for Preventing Icing on Gas Regulator
YI Dachun,JIANG Yuanjie,ZHANG Jianyi
AbstractThe 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 wordsicing on regulator;electric:heat tracing;vortex heater;vortex tube;pilot heater;heat exchanger
1 概述
    天然气在绝热节流膨胀过程中,由于焦耳-汤姆逊效应,通常会产生温降,压力每降0.2~0.3MPa,温度约降低1℃。假设天然气压力从4MPa调节到0.4MPa,天然气在调压器出口的温度将急剧下降12℃以上,特别是在冬天,当气温为10℃以下时,调压器出口温度将降到-2℃以下。由于调压器指挥器的导管或阀口相对口径很小,如天然气带有水分及杂质,将极有可能在调压器指挥器的导管处或阀口处形成冰堵,进而造成调压器调压功能失灵,高压天然气直接进入调压器下游管道,对用气安全造成直接影响。对此,可通过局部提高调压器入口天然气温度来保障调压器的正常运行。
2 防止调压器结冰的常用方法
    常用的提高调压器或调压器指挥器入口天然气温度的方法主要有:管道电伴热法、涡漩先导燃气加热器法、指挥器加热器法、热交换器法等,每种加热方法都有各自的优缺点。
2.1 管道电伴热法
   ① 电伴热的功能
   电伴热的功能是通过伴热电缆用电能弥补管道燃气在使用过程中的热损失或提高管道燃气局部的温度,使管道燃气局部的温度维持在一定的范围内。
    ② 管道电伴热工作原理及安装
    燃气管道电伴热工作原理简单,主要是由伴热电缆通电升温对管道表面直接加热,并间接提升管道内的燃气温度[1],以达到保温的作用。电伴热装置主要由保温层、防水罩和伴热电缆等组成(见图1)。该种加热方式结构简单,安装方便,不受时间和空间限制,可在燃气管道运行时进行安装。

    ③ 特点
    优点是电伴热装置简单、发热均匀、响应快捷,具有防爆、防火及自动控制等特点,并且使用寿命长,不污染环境,无需专职人员值守,采购成本低,在天然气流量较小的管道上使用有较大优势。
    缺点是如果管道内天然气流量较大时,加热所耗费的电能较大,造成运行成本较高,并且要专门配备大功率变配电设备才能满足用电需求;另外加热方式属于局部加热,如果加热量不足,调压器出口气流温度可能过低,不能保障调压器下游管道用气设备的安全。
   ④ 电伴热应用
   石油天然气行业中,主要用于防冻、防凝和工艺保温,适用于流量较小的高-中压调压站、燃气管道的局部保温等[2]
2.2 涡漩先导燃气加热器法
   ① 涡漩先导燃气加热器功能
   高压燃气通过涡漩先导燃气加热器(以下简称涡漩加热器)时,涡漩加热器将燃气减压产生的能量转化成高温热气流,然后利用高温热气流对调压器指挥器进行加热。
   ② 涡漩加热器工作原理[3~4]
   涡漩加热器外形简单(见图2),主要工作原理见图3,结构见图4。
 

    高压燃气进入涡漩加热器时,在涡漩加热器B、E入口通过压力降低形成高动能低压气流后,在涡漩加热器涡漩室内产生相向的两股气流,管中心一股很冷的气流(即内涡漩)从右向左流动,靠近管壁的一股很热的气流(即外涡漩)从左向右流动。这股热气流(外涡漩)用于加热目的后,从外部管道流回左侧与冷气流汇合后,由涡漩加热器D出口排到主调压器出口的下游管段。被加热的高压燃气由涡漩加热器的被加热燃气入口A进入,在涡漩加热器内被热气流(外涡漩)间接加热,由涡漩加热器的C出口进入主调压器的指挥器。
   ③ 工艺流程
   采用涡漩加热器对进入调压器指挥器燃气进行加热的工艺流程见图5。
 

    a. 被加热高压燃气由阀2处进入旁通燃气管道,然后通过入口A进入涡漩加热器,高压燃气在涡漩加热器内被加热后由涡漩加热器C出口排出并进入主调压器指挥器。
    b. 起加热作用的高压燃气由阀1进入旁通燃气管道,经过监控调压器后由涡漩加热器B、E两个入口进入涡漩加热器,通过热能转换后形成与下游等同压力的较低温度燃气由涡漩加热器D出口排出,经过阀3进入主调压器下游低压燃气管道。
    c. 与阀4连接的燃气管道为监控调压器的信号管道,主要功能是采集主调压器下游的低压燃气段压力。监控调压器的出口压力设置值稍大于主调压器的出口压力设置值,在主调压器正常运行时监控调压器处于全开启状态,当低压燃气段压力上升到超过主调压器设置的压力时,主调压器关断,监控调压器启动。这时从监控调压器出口进入涡漩加热器的燃气压力为监控调压器的压力设定值,与主调压器下游的压力值一致。此时,涡漩加热器由于进口B、E同出口D不存在压力差,因而不起加热作用,即涡漩加热器停止加热功能,实现涡漩加热器的动态加热功能,从而实现对主调压器的指挥器加热的自动控制。
   ④ 特点
   优点是涡漩加热器运行稳定,不需外部能源,运行成本低,而且调压器的入口压力波动时,涡漩加热器的加热量会通过进出口燃气压差的大小自动变化。当上、下游压力差变大时,形成的焦耳-汤姆逊效应明显,高压燃气进入涡漩加热器后动能变大,这样对应的涡漩加热器加热量增加;反之,上、下游压力差较小时,形成的焦耳-汤姆逊效应减小,高压燃气进入涡漩加热器后动能变小,这样对应的涡漩加热器加热量减小。另外,涡漩加热器还具有对湿燃气不敏感、运行中无燃气损失、无过热现象出现、改造方便、免维护、无需人员值守等优点。
    缺点是安装工艺相对复杂;另外,该种加热方式属于局部加热,如果调压器出口气流温度过低,应考虑调压器下游管道用气设备的安全性;再者,该产品在国内燃气行业应用上属于新产品,价格相对较高。
   ⑤ 安装和应用
   安装:涡漩加热器应直立安装,并且与燃气管道的连接位置应在燃气管道的上部,安装时应注意不要让密封材料进入涡漩加热器的连接管道内部,防止堵塞。
    应用:在国外,自1999年制造出涡漩加热器以来,该产品已经在美国、加拿大、法国、西班牙、阿根廷、澳大利亚以及中东国家等安装了1000多套。在国内,中国石油华中输气公司的武汉西计量站、中国石油兰州输气分公司德令哈分输站等均有使用。
2.3 指挥器加热器法
   ① 指挥器加热器功能
   为了避免调压器指挥器在较大压降情况下温度下降而造成的结冰现象,对调压器指挥器加装指挥器加热器。
   ② 组成与工作原理
   指挥器加热器结构简单,主要由加热部件(见图6)、恒温控制器和继电器三部分组成,其中恒温控制器和继电器只能安装在非防爆区域,通过导线对加热部件进行连接,加热部件则通过配件安装在调压器指挥器上游信号管上,通过加热部件中的加热元件对指挥器信号管内的燃气进行加热。指挥器加热器是通过不同的元器件的综合作用达到自动控制加热的目的,原理见图7,图中的数字1~10为开关接线端子编号,接线时按图7要求,其中2、5端子为备用。设:
    t——设定的加热控制温度
    t0——气体加热前温度
    t1——气体加热后温度
 

    通过恒温控制器面板设定加热控制温度t。接通电源后,温度探头感应到气体温度,其值被恒温控制器接收并比较。当t0<t时,控制器使开关7、9闭合,使继电器控制回路导通,从而使加热回路导通,使气体被加热。当感应到温度t1≥t时,控制器使开关7、9断开,使继电器控制回路断开,从而使加热回路断开,加热被终止。
    ③ 特点
    优点是安装简单,适用于天然气管道流量相对不大的调压站,加热效率高,能有效地解决调压器结冰问题;可根据设定的温度实现自动工作;价格较低,无需专职人员值守;运行维护费用低,只需消耗较少的电量。
    缺点是加热器只适用于中小型调压站的指挥器式调压器,并且要配置电源;产品属于局部加热,如果调压器前后压差过大,调压器出口气流温度可能过低,将不能保障调压器下游管道用气设备的安全。
   ④ 安装及应用
   该种加热方式安装简便,调压器指挥器上游信号管通过串联指挥器加热器加热部件来达到加热目的,可在天然气管道安装后补装,不占地,加热效率高,并且在使用时可通过电源进行开关控制。
    应用情况:在欧洲,已得到大规模使用。在国内,河北天然气有限责任公司沙河门站、中石油吉林天然气管道有限责任公司部分门站、徐州港华燃气部分调压站等均有使用。
2.4 换热器法
   ① 换热器功能
   通过循环热水作为热源对天然气进行加热,以提高调压器入口天然气温度,从而避免调压器结冰。在天然气行业,一般使用管壳式换热器。
   ② 工作原理及设计要求
   循环水由燃气热水锅炉提供热源,燃气经过换热器时,通过热交换得到升温,然后进入调压器。热水的基本参数一般为:供水温度为80℃,回水温度为65℃。换热器换热量的计算[5]应按最恶劣的工况,保证在最不利条件下仍能使天然气温度达到规定值。换热器设计时,热水管路要优化,使水压损失尽可能减小。工艺计算应提供水侧理论压损值,理论压损值应控制在0.02MPa以内。
    ③ 特点
    优点是对进入调压器的所有天然气进行加热,能确保调压器及调压器下游管段的运行安全,并且配套产品(如热水锅炉)生产技术比较成熟,适用范围广(大中小型调压站均可)。
    缺点是占地面积大,需增加循环水泵、热水锅炉、热水管道、控制仪表等设备才能完成加热循环;运行费用高,需要消耗大量热能及电能,换热器及配套的热水锅炉属压力容器,每年需要检测;系统复杂,运行管理有一定技术要求,需要专职人员值守,并且成套设备采购成本高。
   ④ 安装和应用
   在安装上,管道系统比较复杂,包括热水管道、热水泵、锅炉、换热器以及控制仪表等;在应用上,该种换热方法在国内外各种高-中压调压站都有广泛的使用。
参考文献:
[1] 章熙民,任泽霈,梅飞鸣,等.传热学[M].第3版.北京:中国建筑工业出版社,1990:50-95.
[2] 李连星,刘强.电伴热技术在北方架空燃气管道的应用[J].煤气与热力,2009,29(12):A27-A29.
[3] 沈杰,席旺.涡流管的原理及在天然气领域的应用[J].煤气与热力,2011,31(2):A37-A38.
[4] 吕青楠,张王宗.涡流温度分离技术在天然气行业的应用[J].天然气与石油,2010,28(2):27-32.
[5] 郭瑞琪,张传聚,裘烈钧,等.换热器热工性能指标计算方法的探讨[J].煤气与热力,1999,19(2):50-52.
 
(本文作者:易达春1 蒋元杰1 张建一2 1.佛山市燃气集团股份有限公司 广东佛山 528000;2.天津市塘沽燃气有限公司 天津塘沽 300459)
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