第28卷第6期油气储运
涡流管加热技术在天然气工业中的应用
熊长征陈川尹克江冯磊王铁生菅秀洋
(中国石油管道公司华中输气分公司)
熊长征陈川等：涡流管加热技术在天然气工业中的应用，油气储运，2009，28(6)69~72。
摘要介绍了涡流管加热器的结构特点和工作原理。根据现场试验数据，分析了涡流管加
热器的加热特性，比较了涡流管加热器较之电加热器的经济优势，并对其在天然气行业的应用前景
进行了预测。
主题词涡流管加热技术输气站应用
一
、前言一、日舌
涡流管，又称兰克一赫尔胥(Ranque—Hilsch)管，
是一种结构简单的能量分离装置。涡流管0自
1931年研发面世以来，通过不断改进，其制冷、制
热、抽真空、分离等多种功能趋于完善，已在很多行
业中得到了应用。例如在制冷领域，主要应用于冷
却电子控制器、热电偶的冷结点恒温、生物冷冻、内
外科手术等；在石化和天然气领域，混合烃的分离、
轻烃回收、天然气的除水等作用得到了很好的应用；
此外，涡流管还被应用到柴油机尾气的处理上。。
目前，涡流管的加热特性已经在欧洲和美国的天然
气行业中得到了成功的利用。
天然气是粘度比较低的气态流体，从气矿采出
后，先经过净化，然后通过管道高压运输，再采用逐
级降压的方式将压力降到安全范围内，最后送达下
游用户。高压天然气的减压过程近似为一个绝热膨
胀的过程，在通过输气站调压设备减压时，因节流导
致温度降低，天然气中含有的水蒸气及因高压形成
的水化物在低温下容易冷凝结冰。
调压橇是输气站场的压力调节设备，其出口压
力通过调压阀指挥器来控制。调压阀指挥器的作用
是，将从下游采集的压力信号和设定的压力值进行
比较，根据差压产生一个控制信号来控制调压阀的
开度。下游压力的采集通过引压管来实现，引压管
从下游采集的气体通过指挥器节流减压后作用于调
压阀皮膜，进而控制阀门的开度。由于引压管引入
的是下游通过调压节流后的气体，温度较低，气体进
入指挥器后，再次在指挥器内节流，会产生较大的温
降，因此指挥器阀口处的气体温度极低，在冬天气温
比较低的情况下，很容易发生冰堵现象。为了防止
冰堵，目前在长输管道上主要采用电加热或伴热系
统提供热源。电加热或伴热系统耗电量大，同时加
热棒、伴热带属于易耗件，运行和维护成本较高。近
年来，随着我国天然气行业的蓬勃发展，天然气的调
压设备也在不断的改进，目前涡流管加热技术已率
先应用在中国石油管道公司华中输气公司管辖的武
汉西计量站。将涡流技术应用于天然气输气设备，
可以直接利用调压橇上下游压降产生的压力能转化
的热能，进行引压管的加热，无运行和维护成本，用
它替代电能加热的传统模式，符合节能环保的要求。
二、涡流管的结构及基本原理
涡流管是一种结构简单的能量分离装置，由喷
嘴、涡流室、分离孔板及冷热两端的管子组成，见图
1。涡流管的基本工作原理是，高速气流由进气导管
导入喷嘴，膨胀降压后沿切线方向高速进入阿基米
德螺线涡流室，形成自由涡流，经过动能交换分离成
温度不等的两部分，中心部分动能逐渐降低变为冷
气流；边缘部分动能增大成为热气流，流向涡流管的
另一侧。这样，涡流管可以同时获得冷热两种效应，
通过流量控制阀调节冷热气流比例，相应地改变温
度，得到最佳的制冷或制热效应。。
尽管涡流管在结构和操作上比较简单，但管内
430074，湖北省武汉市洪山区雄楚大街977号204室；电话：(027)87797611。
油气储运
发生的能量交换却十分复杂。由于涡流管发热是内
摩擦的结果，传热过程是不可逆的，一般认为管内
进行的是三维可压缩湍流流动。到目前为止，对于
涡流管涡流效应的解释有很多种，其中包括热传递、
动能传递、绝热冷却理论、紊流能量交换理论、声流低压
理论等。
高压进气口
涡流室
『II
冷气流lIII
热端分离管热气流
————————————兰一_争
热端调节阀／热气流
图1涡流管的结构
涡流管涡流效应的物理实质是，当高压气体经
喷嘴膨胀之后，高速进入涡流室，在涡流室内周边部
分形成涡流，其旋转角速度在涡流室边缘部分较小，
越接近中心部分越大，于是在涡流室中沿半径方向
形成了不同角速度的气流层。由于气流层之间的摩
擦，内层的角速度降低而外层的角速度提高，因而内
层气流将一部分动能传给外层气流，即功从内层传
向外层，内层气流膨胀对外层气流做功，温度降低，
外层气流的温度则升高。与此同时，热量也向内层
中心传递，但比功的传递速度慢，外层气流获得的动
能比失去的热能多，且这些动能在热气管中由于摩
擦最终转化为内能，使外层气流的温度不断升高。。
三、涡流加热器的工作
原理及结构
根据涡流管的能量分离特性，可以将高压气流
分为冷热两股低压气流。目前，低温气流主要被应
用于局部制冷行业，另外一股相对高温的气流多用
在天然气行业。利用涡流管制成的加热器，称为涡
流先导气体加热器(VortexPilotGasHeater，
VPGH)，也称为涡流加热器。目前，美国的
UniversalVortex公司生产的VPGH已经在天然
气行业中得到了成功的应用。。
涡流加热器是美国UVI公司生产的专门用于
加热调压橇引压管的设备，见图2。它在结构上对
普通涡流管作了较大改进，将热气出口端封闭，这样
冷热气流在顶端混合后可由低压气体出口排出。涡
流室内气体流向见图3。
高压气体入口
图2涡流加热器示意图
高压气体
切线喷嘴
图3涡流室气体流向示意图
涡流加热器工作时，出口温度很低，理论上最低
可达一5O℃。在天然气站场，如果将出口天然气直
接排放到大气中，不仅存在安全隐患，也浪费了能
源。因此，低压气体出口只能连接到调压橇下游低
压管段。另外，天然气中含有水蒸气或水合物，在进
气口喷嘴处随着气体膨胀加速会产生大量冷量，喷
嘴距离低温混合气体出口也较近，所以在高压气体
进气口处容易发生冰堵现象。VPGH通过将涡流
管上端少量热气直接引到高速喷嘴处加热的方法，
巧妙地解决了喷嘴处的冰堵问题。
涡流管温度随着涡流管蜗壳内涡流强度的增加
而增加，而涡流强度与涡流管进出口的压力有关。
在涡流管前后压力保持一定的情况下，为了提高涡
流管中涡流的强度，VPGH采用了对称双喷口设
计，将进气分成两股气流，沿蜗壳切线方向进入，这
样有效地增加了涡流强度，提高了出口温度。
四、涡流加热器在输气
生产中的应用
目前天然气分输站中，分输压力主要采用调压
橇调节。以武汉西站为例，来自西气东输淮武管道
的天然气压力为5．0MPa，而向下游用户的供气压
力约为1．4MPa。因此，在调压分输的过程中，存在
较大的节流。武汉西站调压橇采用的是“紧急切断
阀+监控调压阀+工作调压阀”的调压模式。监控
第28卷第6期熊长征等：涡流管加热技术在天然气工业中的应用
调压阀的指挥执行机构主要由预调器和指挥器组
成，预调器和指挥器中均存在节流。调压橇在工作
时，由于节流指挥器的出口气体温度较低，再加上天
然气本身含有水或水合物，低温时水容易冷凝成冰，
堵塞指挥器阀口，造成调压橇工作失效。目前，主要
采取电加热的方法来防止冰堵。
武汉西站采用双通道涡流加热器来取代电加热
器。该双通道涡流加热器设计的使用压力为6．9
MPa，试验压力为10．3MPa，加热功率随上下游压
比的变化而变化。双通道涡流加热器可以同时加热
两路天然气，即武汉西站一台加热器可以同时为两
台调压阀指挥器加热。图4为涡流加热器安装示
意图。
图4涡流加热器安装示意图
涡流加热器的涡流气出口温度较低，因此涡流
气出口与下游管道之间的连接应尽量短，出口管径
尽量粗，弯头尽量少(最好为直管段)，以防止出口管
道发生冰堵。在出口处需安装一个节流阀来控制
涡流气流量，以控制加热温度。在涡流加热器涡流
气进口处安装一个直径为12．7mm的小球阀，便于
控制涡流加热器的工作。
从上游引压管引入的高压天然气经过涡流加热
器加热后，进入调压阀指挥器。在指挥器节流降温
后，天然气的温度仍然高于当前情况下天然气的水
露点，有效地防止了冰堵。涡流加热器安装简单，所
有连接处均可采用卡套接头连接。
五、涡流加热器的物理参数
及经济性分析
1、试验参数分析
为了测得涡流加热器的加热特性，在武汉西站
涡流加热器的热气出口安装了数字显示温度计。引
压管从上游引入的天然气温度，近似为进站天然气
温度，通过进站温度变送器或温度表直接得到。
2007年2月3～16日，对加热器各项数据进行了跟
踪测量，测量数据包括上游压力、下游压力、环境温
度、天然气温度等，测得的各项参数见表1。通过试
验及理论分析可以看出，涡流加热器的加热温度
只与上下游压比有关。涡流加热器压比一温升坐标
图见图5。
表1加热器各项参数数据
4．17
4．63
4．86
4．16
4．13
4．12
3．92
3．92
3．86
3．74
1．12
1．31
1．5O
1．40
1．44
1．5O
1．48
1．54
l_55
1．54
0
—1．O
0
—2．0
2．0
1．5
3．0
1．O
0
1．O
3．723
3．526
3．243
2．971
2．868
2．747
2．649
2．545
2．490
2．429
从图5可以看出，涡流加热器的加热温度随压
比的增加而增加。天然气温升和压比之间近似成线
性关系，即使在压比为2．4的情况下，温升仍有
26．8~C，加热效果比较明显。在长输管道，尤其在分
输站场，调压橇前后压比往往高于此值，因此加热效
果更加明显。
2621266148
∞∞弱
5712O5O753
钨盯弘髂∞
31918O4615
5443669773
油气储运
索
赠
《
H<
图5涡流加热器压比一温升曲线
2、经济效益分析
为了保证下游用户的需要并方便检修，天然气
调压橇一般采取一用一备的方式。在武汉西站孝感
分输站，采用的是“紧急切断阀+监控调压阀+电动
调压阀”的调压模式，只有监控调压阀的指挥器引压
管内天然气需要加热，由于选取了双通道涡流加热
器(VPGH—DP)，两路调压橇只需要一个加热器就
能满足加热需要。
从成本、寿命等方面对涡流加热器和传统的电
加热器进行了比较，结果见表2。
(1)设备购买成本。购置设备所需所有费用，包
括购置费、运输费。涡流加热器约为41800元，电加
热器约为1100012000元。
(2)配件成本。涡流加热器配件主要有卡套接
头6个，~1omm不锈钢管约lom，直径为12．7mm
的球阀、节流阀各一个，投资约为1000元。电加热
器需要从配电室铺设电缆至工艺区，并在工艺区安
装空开等，投资约为5000元。
(3)安装费。涡流加热器需要动火焊接管嘴，安
装费用约1200元；电加热器需要电专业人员挖电
缆沟、铺设电缆、安装防爆配电箱，施工需要两天，安
装费用约10000元。
(4)运行成本。涡流加热器无运行成本，电加热
器按每年运行100天，每天运行24h计算，运行成
本约为600元／a。
(5)维护成本。涡流加热器无维护成本，电加热
器需要电气检查，更换空开、保险等，约500元／a。
(6)使用寿命。涡流加热器平均寿命为2O年，
电加热器平均使用寿命为3年。
表2涡流加热器和电加热器的经济效益比较
通过比较可知，涡流加热器虽然初期购置成本
较高，但具备安装方便、免维护、无运行成本、使用寿
命长等优点，其实际运行成本为2200元／a，约占电
加热器费用(1o100元／a)的四分之一。因此，从经
济效益上，采用涡流加热器的优势更加明显。
通过对涡流加热器和电加热器的比较可以看
出，虽然涡流加热器的设备购置成本较高，但其具有
无运动部件、安全环保、无运行成本、安装方便、加热
效率高、成本低廉等特点，对天然气调压站调压橇引
压管的加热非常实用。目前，在天然气行业迅速发
展，国家重点天然气工程相继开工的情况下，涡流加
热器市场推广前景将会更加广阔。
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超导，2006，34(5)。
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8，Dr．LevTunkel，JohnCoffman：Vortexpilotgasheaterdesign
needsnoexternalenergysource，Pipeline＆GasJournal，
November2007．
(收稿日期：2008—06—18)
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