CN202900811U - 一种具有温度恢复功能的减压装置 - Google Patents

Abstract

一种具有温度恢复功能的减压装置，用于需要将高压可压缩流体通过节流变为低压流体且不允许出现明显温降的场合，属于节能利用领域。其包括连续连接的入口法兰（1）、入口直管段（2）、拉法尔喷管渐缩段（3）、拉法尔喷管渐扩段（4）、直管段（5）、扩压段（6）、出口直管段（7）、出口法兰（8）。本实用新型装置具有非常宽的减压范围；该装置结构紧凑，无运动部件，不容易发生破裂、泄露。

Description

一种具有温度恢复功能的减压装置

技术领域

本实用新型涉及一种新型的、具有温度恢复功能、流量恒定且具有背压自适应能力的减压装置及其设计方法。主要应用于需要将高压可压缩流体通过节流变为低压流体且不允许出现明显温降的场合，属于节能利用领域。 

背景技术

在石油化工、动力工程、气体输送与处理工程等多种生产加工过程中，经常需要将高压可压缩流体转化为低压流体，以满足下游生产过程的要求。例如，从天然气气井采出的流体往往具有非常高的压力，不能直接进入集输系统，必须经过节流过程将之降低到集输系统允许的压力。再比如，在液化天然气（LNG）汽化过程中，必须将汽化产生的天然气节流至供气管网允许的压力。目前，这些节流过程通常采用节流阀或J-T阀进行减压处理，属于绝热节流范畴。按照热力学原理绝热节流前后的温度变化与节流前后的压力变化有关，节流压力降越大，节流后的温度降也越大。以天然气的主要组分甲烷为例，如果将40℃、16bar的甲烷采用目前的节流方法节流到4bar,则其温度会降到约-51℃，温降幅度高达91℃。如此大的温降在大多数情况下是不允许的。而且，天然气井口采出气经过如此大幅度的温降后，由于水分等杂质的存在，会形成气体水合物，其中的水分还会凝结出来发生冻结，堵塞管道，影响系统的正常运行。因此，为了保证生产的正常运行，必须将经过节流后的低温气体进行再加热，将温度恢复到生产工艺允许的水平，而这往往需要消耗大量的能量：如通过加热将1kg甲烷的温度从-51℃恢复到节流前的40℃，则需要的加热量约为192kJ。此外由节流阀主要是通过改变节流截面积或节流长度以控制流体流量来达到降压效果的，不能补偿由负载变化所造成的速度不稳定。 

综上所述，在一些特定的减压场合，采用现有的减压装置会产生诸多不利影响，从而造成过多的能量浪费。有必要针对这些不利因素研究一种既可以产生所需压降又同时保证其流量和温度特性不会发生大幅度变化的减压装置。 

实用新型内容

本实用新型涉及一种新型的具有温度恢复功能的减压装置及设计方法。通过综合考虑Laval喷管及扩压管的工作原理，可以使高压可压缩流体向低压转变过程中，实现得到所需要低压条件的同时具有较小的温度降并保持恒定的流量。本实用新型采用如下技术方案： 

一种具有温度恢复功能的减压装置，其包括连续连接的入口法兰1、入口直管段2、拉 法尔喷管渐缩段3、拉法尔喷管渐扩段4、直管段5、扩压段6、出口直管段7、出口法兰8。 

入口法兰1与高压流体主干线连接，入口法兰1接一段入口直管段2，入口直管段2后面接有拉法尔喷管渐缩段3，拉法尔喷管渐缩段3后面连接的是拉法尔喷管渐扩段4，拉法尔喷管渐扩段4后面接有直管段5，直管段5后面接有扩压段6，扩压段6后面接有出口直管段7，出口直管段7与出口法兰8连接。 

所述使高压可压缩流体提速、降温、减压的拉法尔喷管渐缩段3为流通面积逐渐减小的收缩管，其与拉法尔喷管渐扩段4连接处的截面尺寸为拉法尔喷管渐缩段3的最小尺寸；拉法尔喷管渐扩段4采用使其流通面积逐渐增大的型线设计，使流体流动达到超音速流状态，并且在拉法尔喷管渐扩段4出口处的马赫数不小于2；直管段5使流体从超音速变为亚音速，直管段5的长度为对应流动状态下的极限管长；扩压段6，其保证流体温度得到恢复，其为流通面积逐渐增大的扩压管。 

该装置的主要设计特点： 

1.装置的入口采用法兰连接并且要严格考虑气密性条件，为了使气流均匀稳定，入口处还要有一段平滑直管段。Laval喷管喉部的确定需要综合考虑喷管喉部临界参数如流速和当地声速等。当入口压力较低时喉部尺寸的确定可以按理想气体考虑而当喷管入口压力较高时喷管喉部的设计不能按理想气体考虑，必须采用实际气体状态方程进行计算。喷管渐缩段型面应光滑，协调好收缩比即喷管进口面积与喉口面积之比、渐缩段长度和喷管亚音速部分的收敛角的关系，保证进口截面产生的横向压力梯度和径向分速度逐渐减小，并在出口截面上趋于零，从而获得均匀的流场。渐缩段的曲面形状原则上可以采用任意使流通面积减小的型线设计，包括但不限于采用维托辛斯基曲线、双三次曲线、五次曲线、Batchelor-Shaw等方法。 

渐扩部分也属于喷管的关键部分，其基本特征是其流通面积逐渐扩大，其作用是将喉部达到声速状态的气流进一步膨胀加速，在出口得到设计所要求的马赫数和均匀气流，渐扩段原则上可以采用任意使流通面积逐渐增大的型线设计，包括但不限于特征线法、富尔士（Foelsh）法、劳（Lao）法等设计方法。还可以采用等斜率膨胀和锥形管的设计方法。渐扩段应具有合适的长度，过短，会使气流扩张过快，易引起扰动增加内部摩擦损失，过长，则会曾加气流与壁面间的摩擦损失。因此必须综合考虑各种参数条件来确定渐扩段的尺寸。渐扩段出口Mach数应不小于2。 

2.装置直管段的作用使超音速流变为亚音速流从而保证气流进入扩压段后温度得到恢复，是本装置的核心部件之一。直管段的长度设计要合理，其长度可以按等截面绝热摩擦流的极限管长确定，并保证出现第二个激波。扩压段的作用主要是使气流的温度得以恢复， 同时根据背压（该装置出口接入系统的压力）调整整个装置的压力降低幅度。为了保证有较好的温度恢复特性，其出口尺寸（直径）应不小于本装置的入口尺寸（直径）。扩压管的基本特征是它的流通面积从入口到出口逐渐增大，其轴向尺寸应不小于1.5倍的出口尺寸（直径）。 

3.装置的减压原理：通过Laval喷管、直管段和扩压段的合理组合，在装置内部会出现两个激波。第一个激波出现在Laval喷管喉部，它保证了通过装置的质量流量不会因为背压（节流后的压力）的变化而变化；Laval喷管的渐扩段可以将流体的压力降低到非常小的数值，而这是保证本装置调压范围大的关键；直管段和Laval喷管的的合理组合，使得该装置可以通过在较大范围内调整第二个激波的位置来实现根据外界系统压力对其出口压力的自适应调整。 

本实用新型可以取得如下有益效果： 

1.与常规减压装置相比，本实用新型装置在温度、流量、压力等方面具有一定的优势，温度特性：经过本装置节流前后流体温度的变化很小（1~3℃），而且与压力降幅度无关；流量特性：在入口状态（温度和压力）一定时，可以保证在不同的节流下，通过减压装置的流量不发生变化；压力特性：由于该节流装置中，借助Laval喷管和直管段的组合同时出现两个正激波，再加上扩压段的扩压作用所以它可以将高压可压缩流体节流到非常低的压力且不会产生明显的温度变化。不仅如此，节流后压力的高低完全可以根据减压装置接入系统的压力自动调整。所以，本实用新型装置具有非常宽的减压范围。 

2.由该装置的基本结构可以知道，Laval喷管渐缩段和渐扩段的合理组合保证喉部达到临界状态，并且可以保证流体在渐扩段达到超音速流状态使其出口Mach数不小于2。可压缩流体的压力在渐扩段会降的很低，而这是保证本装置调压范围大的关键；直管段和Laval喷管的的合理组合，使得该装置可以通过在较大范围内调整第二个激波的位置来实现根据外界系统压力对其出口压力的自适应调整；扩压段的作用是使流体温度得到最大程度的恢复。 

附图说明

图1是本装置的结构详图； 

图中：1、入口法兰，2、入口直管段，3、拉法尔喷管渐缩段，4、拉法尔喷管渐扩段，5、直管段，6、扩压段，7、出口直管段，8、出口法兰。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明，本实用新型装置包括入口法兰1、入口直管段 2、拉法尔喷管渐缩段3、拉法尔喷管渐扩段4、直管段5、扩压段6、出口直管段7、出口法兰8。 

该装置通过入口法兰1和出口法兰8与高压流体的主管线连接，同时为了不使流入和流出装置的流体不发生过度紊流，在入口和出口需要根据流速来加上一定长度的平滑直管段。高压可压缩流体首先经过入口直管段进入拉法尔喷管渐缩段3根据热力学原理在此阶段，流体会加速，降温、降压，并在喉部处达到临界状态，达到临界状体的流体在进入拉法尔喷管渐扩段4后会进一步加速，达到超音速流动状态，并保证了出口Mach数不小于2；超音速流体再进入直管段5，在直管段5中要产生第二个激波使超音速流变为亚音速流，但是激波必须在进入扩压段之前产生，因此需要根据按等截面绝热摩擦流的极限管长来合理确定直管段长度；最后流体进入扩压段6，扩压段6的主要作用是使出口温度能最大程度的恢复，最后温度恢复后的流体通过出口直管段7流出本实用新型装置。 

下面以高压天然气经长输管线送至终端用户前的降压过为例说明本实用新型的节能效果：我国天然气长输管道中陕京二线和西气东输天管道的设计输气压力达到10MPa，而用户端的压力必须降到0.4MPa以下才能达到安全要求。常规方法中使用节流膨胀来达到降压目的，而此方法同时会产生较大的温度降。设天然气全部由甲烷组成，管路输气温度为20℃，经计算膨胀降压后的温度为， 

P₁-节流前的压力，MPa；P₂—节流后的压力，MPa； 

T₁节流前的温度，K；T₂-节流后的温度，K； 

n-等熵节流指数，取1.32 

可见，常规减压方法的温度降低幅度是非常大的。如此低的温度，是不能直接进入管道输送系统的，必须进行再热。此外，如此大的温度降，也意味着做功能力的损失。取环境温度为25℃，降温后的天然气相对大气环境所损失的温度火用为， 

$e_{x,T}=c_p(T_2-T_0)-c_p{T}_0\ln \frac{T_2}{T_0}$

$=2.2184\×(-163.82)-2.2184\×298.15\×(-0.797),$

$=163.9\mathrm{kJ}/\mathrm{kg}$

c_p-天然气的比定压热熔，取为2.2184kJ/(kg·k)； 

T₀-环境温度 

假设天然气管道的日均输气量为8.55×10⁴kg/d，每天损失的能量达到1.40×10⁷kJ，如此大的 能量损失如果不加以回收利用就会白白的浪费掉。虽然目前也有利用这部分冷量来用于低温制冷的，但这样又会增加后续设计成本并且该项回收利用技术尚在理论研究阶段。而采用本实用新型装置，降压后温度基本不会发生明显变化。 

Claims (3)

1.一种具有温度恢复功能的减压装置，其包括：连续连接的入口法兰（1）、入口直管段（2）、拉法尔喷管渐缩段（3）、拉法尔喷管渐扩段（4）、直管段（5）、扩压段（6）、出口直管段（7）、出口法兰（8）。 

2.如权利要求1所述的一种具有温度恢复功能的减压装置，特征在于：其具体的连接如下：入口法兰（1）与高压流体主干线连接，入口法兰（1）接一段入口直管段（2），入口直管段（2）后面接有拉法尔喷管渐缩段（3），拉法尔喷管渐缩段（3）后面连接的是拉法尔喷管渐扩段（4），拉法尔喷管渐扩段（4）后面接有直管段（5），直管段（5）后面接有扩压段（6），扩压段（6）后面接有出口直管段（7），出口直管段（7）与出口法兰（8）连接。 

3.如权利要求1或权利要求2所述的减压装置，其特征在于：所述使高压可压缩流体提速、降温、减压的拉法尔喷管渐缩段（3）为流通面积逐渐减小的收缩管，其与拉法尔喷管渐扩段（4）连接处的截面尺寸为拉法尔喷管渐缩段（3）的最小尺寸；拉法尔喷管渐扩段（4）采用使其流通面积逐渐增大的型线设计，使流体流动达到超音速流状态，并且在拉法尔喷管渐扩段（4）出口处的马赫数不小于2；直管段（5）使流体从超音速变为亚音速，直管段（5）的长度为对应流动状态下的极限管长；扩压段（6），其保证流体温度得到恢复，其为流通面积逐渐增大的扩压管。 

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