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

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)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(shè)計(jì)日處理能力為80～120萬標(biāo)方，采用國際先進(jìn)的膨脹制冷與丙烷輔助制冷工藝回收天然氣中輕烴，產(chǎn)品包括干氣、液態(tài)乙烷、丙烷、丁烷以及輕油，日產(chǎn)量可達(dá)200噸以上。

兩套裝置裝配有大型機(jī)組集成系統(tǒng)控制柜、DCS系統(tǒng)控制柜、ESD 控制柜、高低壓配電柜、穩(wěn)高壓系統(tǒng)控制柜及電氣PLC控制柜等共計(jì)20余個，目前兩套裝置運(yùn)行時(shí)間較長，自動控制系統(tǒng)卡件連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長，穩(wěn)定性隨運(yùn)行時(shí)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(shè)備等專業(yè)優(yōu)勢力量，集中檢查分析問題，選用渦流管冷卻技術(shù)來改善各類控制柜的工作環(huán)境，延長卡件使用壽命，減少可能造成的故障次數(shù)，保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 存在問題

1.2.1 夏季外界環(huán)境溫度高，室外控制柜受環(huán)境影響較大

兩套裝置中的膨脹機(jī)機(jī)柜安裝于室外，在夏季外界環(huán)境溫度高及太陽直射條件下，膨脹機(jī)控制柜內(nèi)部溫度達(dá)到60℃左右，使得機(jī)柜內(nèi)卡件高溫，易發(fā)出誤動作指令或接收不到指令，造成膨脹機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行不正常。

1.2.2 控制柜內(nèi)水汽凝結(jié)，造成控制卡故障

以FAR03機(jī)柜間控制柜為例，在2016年10月份，該控制柜內(nèi)的霍尼韋爾雙重化冗余控制器出現(xiàn)硬件故障（其中一塊控制器卡件），經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)控制器面板處有大量水珠，經(jīng)過斷電、干燥處理后恢復(fù)正常。

2 項(xiàng)目建設(shè)必要性

天然氣處理過程具有生產(chǎn)連續(xù)化、自動化程度高、工藝較復(fù)雜、作業(yè)條件苛刻等，屬于高風(fēng)險(xiǎn)的生產(chǎn)過程。自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行在工廠的安全生產(chǎn)過程中起到舉足輕重的作用。將新技術(shù)應(yīng)用到解決實(shí)際問題中，是我們的最終目的。為解決高溫情況下控制系統(tǒng)故障，造成停機(jī)的問題，需對現(xiàn)場機(jī)柜進(jìn)行改造，并期待能夠進(jìn)一步推廣此項(xiàng)技術(shù)成果。

3 取得的主要技術(shù)創(chuàng)新成果

3.1工作原理簡介

當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入渦流管的冷氣發(fā)生器的時(shí)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(jìn)渦流管渦流室后，氣流以高達(dá)每分鐘一百萬轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)著流向渦流管熱氣端（右側(cè)）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(nèi)圈以同樣的轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)，并流向渦流管冷氣端（左側(cè)）。在此過程中，兩股氣流發(fā)生熱交換，內(nèi)環(huán)氣流變得很冷，從左側(cè)流出，外環(huán)氣流則變得很熱，從右側(cè)流出。

高壓氣體從噴嘴處進(jìn)入，經(jīng)噴嘴內(nèi)膨脹加速后，以很高的速度沿切線方向進(jìn)入渦流室，其轉(zhuǎn)速可高達(dá)1.0×10 6 RPM，氣體形成渦流后，旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，沿渦流管壁的氣體與管壁發(fā)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(xù)發(fā)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(xiàn)象即“渦流效應(yīng)”。壓縮氣體在發(fā)生渦流效應(yīng)的同時(shí)，其壓力也會降低，其降低幅度與渦流管的結(jié)構(gòu)特性相關(guān)。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(yīng)用，渦流管分離比可以通過調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 渦流管冷卻技術(shù)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(shù)的選擇

制冷系數(shù)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(shù)越小，冷氣的溫度就越低，低溫冷氣流越少。絕大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品中使用高制冷系數(shù)（大于50%）的渦流發(fā)生器，高制冷系數(shù)的渦流發(fā)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(shù)的產(chǎn)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(chǎn)生不利影響，因此，將制冷系數(shù)定為70%（工控產(chǎn)品大部分所選擇的制冷系數(shù)）。

（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(jī)切斷閥、調(diào)節(jié)閥入口壓力降低。危險(xiǎn)人員通過改變供氣口壓力，測試記錄膨脹機(jī)渦流管冷卻器投用后的現(xiàn)場用氣設(shè)備壓力變化值。

表2 供氣壓力對周圍調(diào)節(jié)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(shù)下，產(chǎn)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(shù)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(shù)的設(shè)定

溫度在32℃左右時(shí)，絕大多數(shù)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(yùn)行溫度，控制柜內(nèi)通過溫度開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)溫度的恒溫控制。

3.3 渦流冷卻器在機(jī)柜上的應(yīng)用

控制柜外儀表風(fēng)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(jī)柜內(nèi)，當(dāng)檢測溫度達(dá)到設(shè)定值（30℃）后，電磁閥接通，儀表風(fēng)送至控制柜內(nèi)，起到自動送風(fēng)的功能，柜頂設(shè)置排氣孔，將控制柜內(nèi)熱氣排出，兩者結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動降溫功能。同時(shí)，機(jī)柜內(nèi)壓力高于外界大氣壓使外界空氣不能進(jìn)入，對控制柜進(jìn)行有效的冷卻和凈化。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

目前我廠已對膨脹機(jī)現(xiàn)場機(jī)柜進(jìn)行改造，以此為例，進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)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(xiàn)場機(jī)柜溫度變化為27.7。

（2）控制柜內(nèi)干燥，無水汽凝結(jié)現(xiàn)象。

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

5 效益分析

目前，已經(jīng)對膨脹機(jī)機(jī)柜進(jìn)行改造，以此改造項(xiàng)目為例，進(jìn)行效益分析。通過改造，延長了機(jī)柜內(nèi)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(jì)投入4萬元。

通過渦流管冷卻技術(shù)的應(yīng)用，減少不必要的非正常停機(jī)時(shí)間。參考2016 年由于膨脹機(jī)控制系統(tǒng)故障發(fā)生的3 次計(jì)劃外停機(jī)為例，每次開機(jī)調(diào)參恢復(fù)正常須8小時(shí)，乙烷、丙烷、丁烷、輕油產(chǎn)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(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益共計(jì)為4+36-0.8=39.2萬元。

6 結(jié)語

合理利用新型技術(shù)，在不改裝置原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，使用簡單元器件，對現(xiàn)場機(jī)柜進(jìn)行改造，使其達(dá)到相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，延長卡件使用壽命，減少非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)及能源的浪費(fèi)，提升了經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，提升了技術(shù)人員對于現(xiàn)場問題分析、解決的能力及新技術(shù)的應(yīng)用，搭建了不同專業(yè)技術(shù)人員之間交流學(xué)習(xí)的平臺。