利用先进技术，解除冰堵隐患

SinoBUEC 2012-03-31

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在天然气输配过程中，因减压膨胀吸热（汤焦效应）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现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，只要汤焦效应条件存在，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。下面就是原有的天然气调压站的先导式调压阀加热系统在涡流先导燃气加热器（VPGH）没有诞生以前，传统的先导阀指挥器的加热是采用介入外界能源加热，加热方式多为使用电伴热带（如图1）、电加热棒（如图2）或者电加热带和加热棒同时加热的方式。

图1 电加热带加热先导燃气示意图

图2电加热棒加热先导燃气示意图

传统的电加热虽然有效地解决了先导式调压阀的指挥器减压冻堵问题，但有缺点局限性。

电加热设备（电加热带、电加热棒）需要外接电源，不节能，而且加热过程中存在故障隐患，需要维修、维护，且这些隐患不易发现，从而增加了工作人员的工作量。此外，电加热设备的工作功率恒定，不会因为调压阀上下游压力波动而自动调整加热功率以适应先导阀指挥器的汤焦冻堵情况。

2、涡流先导燃气加热系统（带有VPGH的先导燃气加热系统）安装有涡流先导加热器的加热系统接线原理图如图3:

图3带有涡流先导加热器的加热系统接线原理图（不含过压保护）

在这个系统接线图中，涡流回路的上、下游压力差是VPGH热量的来源。首先，VPGH将本来经由调压阀的部分天然气压力差势能分离、转化成热能、冷能，也就是将本来在调压阀中转化的能量进行分流、转化、分离，在这个转化与分离能量过程中，冷的能量只是很小的一部分，也就是说，与管道本身的冷量相比，这只是一小部分冷能，这部分冷的能量直接泄放到下游管道，而热的能量在VPGH中累积，再使用先导气流将其在VPGH中交换出来，这样就达到了给先导天然气加热的目的。在这个能量的分离、转化、交换过程中，整个先导气加热系统没有使用任何外部能源，而且这种能源的分离、转化、交换过程全部都是在系统内部进行的的物理过程，没有任何化学反应、没有任何移动零部件的物理过程，整个系统的能量守恒，经过加热的先导气经由先导阀指挥器以后直接由引压管泄放到下游管道，这样，下游主干线的天然气温度不会因少量的涡流出口的低温天然气而大大降低下游系统的天然气温度，不会影响主干线天然气的温度。其次，如上图所示，调压阀上、下游的压力如P1与P2之间的压力差发生改变时，第一级先导阀指挥器内的汤焦效应将会改变，相应的，VPGH也因P1与P2之间的压力差发生改变，这样VPGH的热效应将发生改变，这也就意味着VPGH的加热情况会自适应[5]跟踪先导阀的汤焦效应的状况。这也就是说VPGH的加热状态是动态跟踪汤焦效应的加热状态。对于第二级调压阀（P2与P3之间），原理也是一样的。需要指出的是，虽然持续不断的涡流热量在涡流设备的外壁累积，使涡流设备的外壁温度不断升高，但这种温升是由限度的，而且不可能超越天然气行业所要求的安全防爆极限温度（EXP Ⅳ所要求的130⁰C以上）。因为，VPGH的热效应是一种动态效应（热量的产生与交换是同步的、动态过程），也就是说VPGH的温度升高的同时，强烈而高效的热交换将同时进行，所以，VPGH涡流装置中热量累积而达到的温度无法超越安全防爆极限温度。再一个原因就是，在静态条件下（一部分先导式自立调压阀指挥器在上下游压力不波动的情况下，先导气是静止不流动的，例如DRESSER公司的MOONEY 先导阀），涡流热量会随涡流气的流出而直接散发到下游，涡流结构的管壁温度也不会超过EXP Ⅳ所要求的极限温度，因为VPGH是利用单流涡流管来产热的，一部分热量会因先导气的静止状态而泄放到下游。因此，无论在先导气是流动的或者静止的状态下，VPGH的存在，其内部涡流部分不会产生危及天然气行业所要求的安全防爆极限温度的高温。

上面的加热过程是针对常通状态下的先导阀指挥器而言，一些品牌的先导式调压阀的指挥器，在上下游压力无论是波动或者恒定状态下，其压力比较部分都是导通的状态（这种情况占到目前情况的90%以上），也就是说，先导气气流一直存在，任何时候先导阀指挥器都不会关断先导气流。然而，还有一类先导阀（如DRESSER公司的MOONEY 先导阀）则不是这种情况，这类先导阀指挥器则是在上下游压力有波动时导通，这种情况下，在上下游压力恒定时这种先导阀指挥器则处于静止关闭状态，这时VPGH的热能则在其内部累积并传导到涡流气，这时的涡流气温度就相应提高，而当压力出现波动也就是指挥器开始出现打开而出现汤焦效应时，VPGH立即释放热量来加热指挥器，这充分体现了VPGH及时动态加热的优势。

一般情况下，在连续运行的调压站中，标准的VPGH加热系统不需要安装过压保护回路，因为在先导阀打开的情况下，对于下游有任何微小的压力波动，先导阀会自动调整开度来控制下游压力，使下游主干道的压力趋于平稳状态，但在间断运行的调压站中，就有可能需要加装压力保护回路，因为，在安装了VPGH以后，其涡流回路的存在就相当于调压撬上加了一个直接跨越两级调压阀的旁路，在这种情况下，如果操作人员在间断运行时出现误操作，仅仅关断下游截断阀而没有关断上游的截断阀，而且也没有关断VPGH涡流出口球阀，那么上游的压力将通过涡流回路直接传输到下游，那样容易导致下游主干道压力上升。因此，在这种特殊情况下需要在涡流回路上加装压力保护装置，其接线示意图如图4

图4带有涡流先导加热器的加热系统接线原理图（含过压保护）

在带有压力保护回路的VPGH加热调压系统（如上图4）中，如果下游压力因涡流回路的未关闭（涡流出口球阀）而出现下游压力升高时，控制回路的控制阀（例如FISHER627M）就会自动关闭，这样，就保证了在调压系统在停止运行时，下游压力不因涡流回路而出现过压状态。

以上就是带有VPGH加热调压系统的原理及系统接线的全部情况简介，在这个系统中，VPGH加热的介入，没有改变原系统运行的特性。

3、VPGH安装注意事项

VPGH在安装过程中容易出现以下问题，因此针对这些问题，我们要注意以下几点：

i、VPGH产热情况是否良好取决于涡流回路的安排，这里要注意的是涡流入口以及出口的管道的管径、长度与涡流气的采集点，如果天然气含有太多杂质的话，还要考虑是否采用燃气过滤器的问题，虽然这种情况并不常见。

ii、VPGH下游涡流气出口管道的长度、管径需要合理安排，同时考虑到调压站运行情况考虑是否加装球阀来保证VPGH运行/关闭状态的切换。

iii、先导气加热回路管道的管径、长度决定换热效果和热量丧失的情况，因此需要合理安排。

iv、VPGH在系统中的相关管道连接件情况将影响其运行效率。

ⅴ、考虑到VPGH加热系统的季节性变化，因季节温度情况的不同，可以适当手动调节VPGH涡流出口球阀的开度，而且对于运行参数不同的调压站及品牌、型号不同的调压装置，选择涡流出口球阀开度也不相同。

ⅵ、对于VPGH-DP而言，其先导加热回路的选择还需考虑现场调压器的分布和调压器参数设置情况，因为VPGH-DP两个加热回路的加热效率有差异，也就是说VPGH-DP内部因加热回路的不同，其热量分布不同。靠近涡流回路的为第一级，热量分配相对小。顶端回路为第二级，热量分配相对较大。有一种情况就是：在整个系统中调压器预置参数是差别很大，主调压器（工作阀）上负荷大（压差大），监控调压器（监控阀）上压差小，因此，它们的指挥器上的汤焦效应有明显差别，这就需要我们更加合理的安排加热回路，也就是将第二级加热回路使用在加热工作阀指挥器上。如果两个加热回路的加热效率相差太大，我们一个解决方法就是在不改变输配工艺条件下调整两个调压器上的预置参数（这个调节范围不能太大,否则会导致线路运行不稳定），使两个参数值之间相差变小，这样加热和热交换效果就会改变。另一个方法就是倒换第一级、第二级加热回路。

	VPGH-DP	电伴热带
加热方式	直接加热先导气（高效换热）	间接加热先导气（加热先导气管道外壁）
加热效果	较好（温升50⁰C~60⁰C,不需敷设保温层）	较差（温升20⁰C~30⁰C,需要敷设保温层）
加热状态	动态(加热程度跟踪TJ效应情况)	静态(始终一个加热功率,不应TJ效应情况而改变加热功率)
节能环保状况	使用自身分离的热量加热,不需要介入外界能源,节能效果显著,环保	需要连续消耗电能,不环保
安全特点	全物理过程,仅仅是热交换,无安全隐患	存在漏电、电打火、触电隐患，而且露天雨水、雷电影响大，有安全隐患
对调压阀（工作阀）影响	下游流量小且波动时，减缓调压阀开/闭工作频度，延长调压阀使用寿命	对调压阀无任何影响
检维护特点	无活动零部件和损耗件，免维护	需巡检、维护
系统整齐性	管道安排整齐	有电接线盒、接头，且不断缠绕，另外，在雨季易锈损和锈蚀被缠绕设备

说明，上表中，VPGH-DP和电伴热带加热效果是经过现场检测得出的数据，上游天然气压力为4.4MPa，下游天然气压力为0.43MPa，环境温度为-7⁰C。VPGH-DP加热后先导气温升与上、下游压力、先导气管道的管径、长度、环境温度有关。由上表所列调压站实际情况，VPGH-DP对改善天然气调压站的运行状态与传统的介入能源加热方式相比，具有明显的优越性。