第28卷第1期油气储运·41·
涡流管技术在天然气领域的应用前景
徐正斌。
(中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院)
徐正斌：涡流管技术在天然气领域的应用前景，油气储运，2009，28(1)41～43。
摘要介绍了涡流管现象的基本原理、发展现状及趋势，论述了涡流管应用到天然气露点控
制、凝液回收和天然气液化的基本原理和工艺特点。根据涡流管技术特性，分析了涡流管在天然气
集输、处理和输配等领域的应用前景。提出了开展涡流管技术的研究工作和推广涡流管技术在天
然气领域应用的建议。
主题词天然气管道涡流管技术应用
△L的基础上再降低△T。，而热流温度则在降低
一、涡流管技术原理ATj的基础上增加了△L(假设冷热流流量相等)。
’冷流温度T。和热流温度T。分别为：
气体在降压过程中，经过特殊设计的涡流管时，t=To—ATI一△T。，
可以分为冷热两股气流，这种现象称为涡流管现象，L=To一△T，+△L
见图1。通过涡流管处理的气体，其冷流温度要低于节
流效应产生的低温，涡流管效应可以看作是节流效
应和涡流效应的叠加。
近年来，国内对涡流管技术原理开展了热力学
方法研究n卫3和特性试验研究。“3，一些研究者∞3还
对涡流管的工业应用前景提出了设想。
图1涡流霄现象不意图
涡流管现象解释为，沿切线方向进入涡流管的
膨胀气体形成高速旋转的涡流体，涡流体沿管壁向
热端运动，通过热端出口阀门释放出部分热气流，没
有出去的气体向回运动，在外侧涡流内部形成一个
较小的涡流体。根据角动量守恒原理，内侧涡流体
的角速度高于外侧涡流体的角速度，两个涡流体之
间的摩擦力使气体还原为同一角速度运动，就像固
体旋转一样。这样就导致内层减速和外层被加速，
其内层损失了部分动能，温度下降，外层接收内层能
量，温度上升。其结果是，一股高压气经涡流管减压
处理后，将会在管中心产生一股很冷的冷流，在外侧
产生一股很热的热流。由于涡流管内强烈的离心作
用，中心的冷流气体为干燥气体，外侧高温气体则集
中了涡流管效应(含节流效应)产生的所有液体。
气体在涡流管进口处经过节流后，温度由T0
降低△T』，然后因涡流效应，冷流温度在降低了
二、涡流管发展现状及趋势
涡流管最初用于制冷，从20世纪90年代开始，
国外尝试将涡流管技术应用于天然气工业，并取得
了突破性进展。
1、德国的应用情况
据文献C63报道，1993年，德国一家公司将涡流
管应用于天然气调压站。该技术是将涡流管安装在
调压设施和计量设施之间，其目的是防止天然气减
压后产生凝液对下游计量设施造成影响。使用后发
现，即使在进口温度较高的情况下，涡流管凝液分离
罐都可以产生凝液，证明涡流管的分离效果比节流
阀好。
1996年，德国一家公司将涡流管装置设置在一
套三甘醇装置之后，用于降低天然气的烃露点，保证
下游过程中不会发生烃液的冷凝。为了适应气量的
100083，北京市海淀区花园路2号牡丹科技大厦；电话：(010)82282449。
万方数据
油气储运
变化，涡流管使用了一个有四喷嘴的集管头，每个集
管头有一个控制阀。通过这种改进，设计操作范围
可在10％～100％之间变化，该系统已在欧洲和美
国取得专利。该装置从1996年7月交付使用后，系
统一直连续工作，系统测评结果表明，使用一定的压
降就可以获得很好的露点控制效果。
2、美国的应用情况
一般利用天然气涡流技术的操作都需要较高的
进口压力和对气体进行干燥处理，以此防止涡流管
冻凝，因而限制了其商业应用。UVI公司开发的涡
流管克服了以上缺点，它处理的气体不需要干燥，甚
至可以是两相流，并且也不需要很高的进出口压差，
因此拓展了商业应用范围，其主要技术特点如下。
(1)即使在进口压力较低的情况下，也能在冷热
流之间提供高达93℃以上的温差。
(2)在进口含饱和水或两相流情况下有效操作，
不会发生冻堵现象。
(3)可以将全部气体处理为过冷干燥气体或高
强度热流。
(4)利用涡流管产生的热量能有效加热其它
气流。
截止到2005年7月，UVI公司已在美国、加拿
大、法国、西班牙和澳大利亚推广应用了700多套涡
流管加热器装置。目前，气体涡流管技术在天然气
领域的应用仅限于加热，应用范围尚未扩展。
3、俄罗斯的应用情况
据文献[7]报道，俄罗斯将涡流管技术主要用于
天然气调压站，利用调压站的压力降将天然气液化，
这类装置被称为新一代天然气液化装置
(NGGLU)。列宁格勒输气公司的两个配气站同时
建立了小型LNG生产装置，工艺流程见图2。
该装置的操作压力为3～7．5MPa，处理天然气
量为7．2×104～43．2×104m3／d，LNG产量不低于
40m3／d，液化率为6％～14％，占地面积为16rrl2。
该装置已于2002年6月通过检测，计划几年内在列
宁格勒州和圣彼得堡市再建设10～15个新装置。
4、涡流管发展趋势
早期生产的涡流管采用0．7MPa的空气作为
工作气，在天然气领域应用时，过高压力降会导致涡
流管喷嘴冻堵，因而限制了其在该领域的应用。
UVI公司开发了不冻堵(Nonfreeze)涡流管，可以
处理高压甚至是两相流，拓展了其应用范围。在天
然气领域应用的另一问题是流量变化范围大，国外
较好地解决了这一问题。因此。涡流管在天然气领
域应用的基本技术条件已经成熟。
图2配气站上的天然气液化装置工艺流程示意图
三、涡流管在天然气领域
的应用前景
天然气从井口到用户是压力逐步降低的过程，
在压力降低过程中，利用涡流管可以获得大量的冷
量和热量，并获得干燥天然气。因此，从天然气集
输、处理到输配均可采用涡流管技术。
1、露点控制
气田天然气在进入外输管道前，为达到外输管
道气质要求，避免产生游离水形成水合物冻堵或腐
蚀管道，必须进行露点控制，降低天然气中的烃、水
含量。
常用的露点控制方法有三甘醇脱水、低温分离
和分子筛脱水法，此外，超声波法也是近年研究的一
个热点。然而，这些方法的投资较高，成本费用较
大，而且对操作控制要求较高，是天然气地面工程中
主要的耗能点。即使是投资和能耗最低的低温分离
脱水(烃)工艺，也需要注醇和醇回收装置，消耗了大
量燃料和电力。
涡流管在减压过程中可以分离出一部分干燥冷
气体和一部分高温湿气，利用该特点可以设计涡流
管露点控制装置，其原理流程见图3。
通过涡流管内强烈的离心作用(转速达到1oo
×104r／min，离心力超过10×104G)，节流和涡流
管降温产生的液体被抛向管壁处热气体，管中心气
万方数据
第28卷第1期徐正斌：涡流管技术在天然气领域的应用前景
体为低温干气，出口再进行冷热两股流的换热，降低
高温气体温度，分离出的部分液体再与冷干气混合，
达到降低露点的目的。如果需要进一步降低分离温
度和干气露点，还可以将外输干气与高压湿气进一
步换热，以强化露点降效果。
污水
图3涡流管露点控制原理不意图
涡流管的制冷效果要优于节流阀，并且涡流管
在节流过程中不会产生冻凝，可以减少低温分离露
点控制装置中必要的注醇和醇再生回收系统。装置
投资少。无需任何消耗，因此，涡流管技术应用于天
然气露点控制上将具有很强的市场竞争力。
2、凝液回收
涡流管制冷效果介于节流阀和膨胀机之间。在
一些规模小、流量变化范围大、不适合采用膨胀机制
冷工艺的条件下，选择涡流管制冷工艺将具有很强
的竞争力。由于涡流管具有结构紧凑、体积小、易加
工、成本低、无转动部件、免维护、可迅速开停车等优
点，国外已将涡流管用于天然气轻烃回收。涡流管
现已采用浅冷工艺(氨或丙烷加节流阀制冷)凝液回
收装置的改造，用涡流管替代节流阀，在不对主体设
备和工艺进行改造的情况下，花费较小的投资就可
以增加凝液的回收量。
3、天然气的液化
目前，国内外普遍采用高压输气技术来提高长
输管道输气的经济性，高压长输管道到达城市门站
的压力通常为4～7MPa，而城市用户压力大多在1
MPa左右，采用涡流管、利用压力降将部分天然气
液化的技术，已在俄罗斯得到了推广应用。
4、燃料气处理
燃气轮机对燃料气有较高要求，燃料气中禁止
携带任何液滴。在燃料进入燃气轮机前，必须对气
体进行调压、分离和过热处理，确保燃料气不带液。
若采用涡流管，可利用涡流管的低温干气作为燃料
气，与涡流管的高温气体换热升温后供燃气轮机使
用，高温干气换热后可进入配气站下游供气系统。
这种燃料气处理设施不消耗任何燃料，无安全隐患，
投资省，成本低，经济性和安全性都优于传统的燃料
气处理设施。
5、替代电伴热
涡流管在减压过程中可分离出一部分高温气
体，利用这部分高温气体可以对某些需要加热的气
体进行加热，替代电伴热，防止局部冻堵，这在低温
和没有电力供应的环境下非常重要。
此外，还可以利用涡流管作为辅助手段，降低装
置处理规模和投资。例如，在三甘醇脱水装置(或分
子筛脱水装置)前设置涡流管，可以获得部分低温干
气，脱水装置只需对部分高温湿气进行处理，就可以
降低装置规模、运行能耗和投资；在气液分离器前设
置涡流管，可以减小分离器尺寸，降低投资费用。
涡流管技术应用到天然气露点控制、轻烃回收
和天然气液化等领域，市场需求量大，社会经济效益
显著。应进一步了解涡流管的技术特点，开展涡流
管技术的应用研究工作，形成一系列天然气集输、处
理新技术、新工艺，降低工程投资，方便生产管理，减
少天然气消耗，提高生产运行的安全性，以推动天然
气集输和处理技术的发展。
参考文献
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验研究．制冷空调与电力机械，2005，26(4)。
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’
7，徐文渊：小型液化天然气生产装置，石油与天然气化工，2005．
34(7)。．
礅独门闻
(收稿日期：2007—11—15)
敲国回钧遏》
万方数据
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