渦流管冷卻技術的應用

付少東（中國石化新疆煤制天然氣外輸管道有限責任公司，湖南 岳陽 414000）

1 項目概況

1.1 項目背景

天然氣處理廠主要從事石油伴生氣的處理，有兩套油田伴生氣中壓深冷處理裝置，單套裝置設計日處理能力為80～120萬標方，采用國際先進的膨脹制冷與丙烷輔助制冷工藝回收天然氣中輕烴，產品包括干氣、液態乙烷、丙烷、丁烷以及輕油，日產量可達200噸以上。

兩套裝置裝配有大型機組集成系統控制柜、DCS系統控制柜、ESD 控制柜、高低壓配電柜、穩高壓系統控制柜及電氣PLC控制柜等共計20余個，目前兩套裝置運行時間較長，自動控制系統卡件連續運行時間長，穩定性隨運行時間降低，易受到溫度、濕度、電磁干擾等問題的影響。針對上述情況，我廠組織工藝、儀表、設備等專業優勢力量，集中檢查分析問題，選用渦流管冷卻技術來改善各類控制柜的工作環境，延長卡件使用壽命，減少可能造成的故障次數，保證控制系統穩定運行。

1.2 存在問題

1.2.1 夏季外界環境溫度高，室外控制柜受環境影響較大

兩套裝置中的膨脹機機柜安裝于室外，在夏季外界環境溫度高及太陽直射條件下，膨脹機控制柜內部溫度達到60℃左右，使得機柜內卡件高溫，易發出誤動作指令或接收不到指令，造成膨脹機控制系統運行不正常。

1.2.2 控制柜內水汽凝結，造成控制卡故障

以FAR03機柜間控制柜為例，在2016年10月份，該控制柜內的霍尼韋爾雙重化冗余控制器出現硬件故障（其中一塊控制器卡件），經過檢查，發現控制器面板處有大量水珠，經過斷電、干燥處理后恢復正常。

2 項目建設必要性

天然氣處理過程具有生產連續化、自動化程度高、工藝較復雜、作業條件苛刻等，屬于高風險的生產過程。自動控制系統的穩定運行在工廠的安全生產過程中起到舉足輕重的作用。將新技術應用到解決實際問題中，是我們的最終目的。為解決高溫情況下控制系統故障，造成停機的問題，需對現場機柜進行改造，并期待能夠進一步推廣此項技術成果。

3 取得的主要技術創新成果

3.1工作原理簡介

當壓縮空氣進入渦流管的冷氣發生器的時候，便可從冷氣端得到冷氣，從熱氣端得到熱氣。壓縮空氣噴射進渦流管渦流室后，氣流以高達每分鐘一百萬轉的速度旋轉著流向渦流管熱氣端（右側）出口，一部分氣流通過控制閥流出，剩余的氣體被阻擋后，在原氣流內圈以同樣的轉速反向旋轉，并流向渦流管冷氣端（左側）。在此過程中，兩股氣流發生熱交換，內環氣流變得很冷，從左側流出，外環氣流則變得很熱，從右側流出。

高壓氣體從噴嘴處進入，經噴嘴內膨脹加速后，以很高的速度沿切線方向進入渦流室，其轉速可高達1.0×10 6 RPM，氣體形成渦流后，旋轉前進，沿渦流管壁的氣體與管壁發生摩擦，溫度會迅速升高，一部分從渦流管的熱端排出，其溫度高于入口壓縮氣體的溫度；一部分沿中心線返回，形成回流，這部分氣體與貼近管壁的渦流反向而行，持續發生的熱交換，使得其溫度逐漸降低，形成冷氣流，從渦流管冷端排出，這一現象即“渦流效應”。壓縮氣體在發生渦流效應的同時，其壓力也會降低，其降低幅度與渦流管的結構特性相關。渦流管冷端氣量與熱端氣量的百分比稱為渦流管分離比，針對不同的應用，渦流管分離比可以通過調節閥進行調節。

圖3 渦流管冷卻技術原理圖

3.2 解決方案

（1）冷卻方式的選定

表1 冷卻方式的選定

（2）制冷系數的選擇

制冷系數是指，輸入渦流管的壓縮空氣與輸出冷氣的百分比，壓縮空氣總量是分母，冷氣量是分子。制冷系數越小，冷氣的溫度就越低，低溫冷氣流越少。絕大多數工業產品中使用高制冷系數（大于50%）的渦流發生器，高制冷系數的渦流發生器可輕易將常溫下的壓縮空氣溫度降低28-50℃。高制冷系數的產品可提供更多的冷氣流，但不能輸出極低溫度，符合改造所需條件，防止低溫對控制卡件產生不利影響，因此，將制冷系數定為70%（工控產品大部分所選擇的制冷系數）。

（3）供氣壓力的確定

為防止因渦流管冷卻器入口供氣壓力過高，造成膨脹機切斷閥、調節閥入口壓力降低。危險人員通過改變供氣口壓力，測試記錄膨脹機渦流管冷卻器投用后的現場用氣設備壓力變化值。

表2 供氣壓力對周圍調節閥的影響

6 5 4 3 0.15 0.1 0.1變化不明顯0.15 0.1 0.1變化不明顯0.15 0.1變化不明顯變化不明顯0.15 0.1變化不明顯變化不明顯

在入口壓力為60PSI（4bar）的條件下，冷端出口溫度為15.3℃，與散熱部位充分熱交換，在70%的高制冷系數下，產生較多的冷端氣流，可充分滿足換熱需求。最終，入口壓力確定為4bar。

渦流管制冷性能隨壓力變化圖（制冷系數70%）冷端溫度（oF）36 51.5 59.5（15.3℃）65.5 70 74 76壓力（PSI）20 40 60(約4bar)80 100 120 140

（4）溫度參數的設定

溫度在32℃左右時，絕大多數電子元件不會面臨熱量積聚和電路板高溫烤焦的壓力，也就是說這個溫度是電子電路的安全運行溫度，控制柜內通過溫度開關可以實現溫度的恒溫控制。

3.3 渦流冷卻器在機柜上的應用

控制柜外儀表風管路處加裝電磁閥，該電磁閥由溫度控制器控制，溫度探測器置于機柜內，當檢測溫度達到設定值（30℃）后，電磁閥接通，儀表風送至控制柜內，起到自動送風的功能，柜頂設置排氣孔，將控制柜內熱氣排出，兩者結合，實現自動降溫功能。同時，機柜內壓力高于外界大氣壓使外界空氣不能進入，對控制柜進行有效的冷卻和凈化。

4 現場應用效果分析

目前我廠已對膨脹機現場機柜進行改造，以此為例，進行現場應用效果分析。

（1）室外溫度38℃的情況下，渦流冷卻器投用20分鐘后，現場機柜溫度變化為27.7。

（2）控制柜內干燥，無水汽凝結現象。

（3）膨脹機渦流管冷卻降溫系統改造后，未發生由于PLC控制器等元器件故障引起的非正常停機。

5 效益分析

目前，已經對膨脹機機柜進行改造，以此改造項目為例，進行效益分析。通過改造，延長了機柜內PLC 控制器、I/O 卡件、通訊卡使用壽命，降低了卡件等精密原件的更換頻率，2016年更換卡件兩塊，共計投入4萬元。

通過渦流管冷卻技術的應用，減少不必要的非正常停機時間。參考2016 年由于膨脹機控制系統故障發生的3 次計劃外停機為例，每次開機調參恢復正常須8小時，乙烷、丙烷、丁烷、輕油產品共損耗60T 估算：3次×60T/次×2000元/T=36 萬元/年。改造投入需0.8 萬元。產生經濟效益共計為4+36-0.8=39.2萬元。

6 結語

合理利用新型技術，在不改裝置原有設計的基礎上，使用簡單元器件，對現場機柜進行改造，使其達到相關技術標準，延長卡件使用壽命，減少非計劃停機次數及能源的浪費，提升了經濟效益。同時，提升了技術人員對于現場問題分析、解決的能力及新技術的應用，搭建了不同專業技術人員之間交流學習的平臺。