干式稀油柜柜內(nèi)壓力波動對外部管網(wǎng)的影響分析

摘要：隨著近些年國內(nèi)鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，煤氣柜在鋼鐵廠的應(yīng)用日趨廣泛，干式煤氣柜因其儲氣壓力高、活塞速度快等特點(diǎn)已被更多人所接受。文章討論了用于儲存高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣的干式稀油柜柜內(nèi)壓力波動情況，分析了其壓力波動對外部管網(wǎng)產(chǎn)生的影響，可以此作為指導(dǎo)來合理確定干式稀油柜的儲氣壓力。

關(guān)鍵詞：干式稀油柜；柜內(nèi)壓力；壓力波動；外部管網(wǎng)；煤氣柜；鋼鐵廠 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TQ547 文章編號：1009-2374（2015）22-0071-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.035

1 概述

隨著近些年國內(nèi)鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)環(huán)保行業(yè)對鋼鐵廠能源排放要求在逐步提高，煤氣柜在鋼鐵廠的應(yīng)用日趨廣泛，與此同時，煤氣柜技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。從煤氣柜結(jié)構(gòu)形式上劃分，煤氣柜柜型可分為濕式煤氣柜和干式煤氣柜，濕式煤氣柜因結(jié)構(gòu)形式的缺陷及環(huán)保要求的日趨提高，濕式煤氣柜已趨于淘汰，而干式煤氣柜因其儲氣壓力高、活塞速度快等特點(diǎn)已被更多人所接受。本文主要討論了用于儲存高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣的干式稀油柜柜內(nèi)壓力波動情況，以此為例分析了其柜內(nèi)壓力波動對外部管網(wǎng)產(chǎn)生的影響。

2 干式稀油柜柜內(nèi)壓力波動分析

煤氣柜作為鋼鐵廠平衡管網(wǎng)壓力的一個重要調(diào)節(jié)手段，當(dāng)煤氣發(fā)生量和消耗量波動時，主管網(wǎng)壓力隨之波動，如果煤氣發(fā)生量大于消耗量，主管網(wǎng)壓力升高，剩余煤氣將自動進(jìn)入煤氣柜；如果煤氣發(fā)生量小于消耗量，主管網(wǎng)壓力降低，所缺煤氣將自動由煤氣柜補(bǔ)充。這樣很容易給人們造成一種錯覺：只要煤氣柜處于在線運(yùn)行狀態(tài)，則外部煤氣管網(wǎng)壓力就會非常穩(wěn)定。而實(shí)際上煤氣外部管網(wǎng)壓力是存在一定的壓力波動，除去因煤氣調(diào)度調(diào)整帶來的壓力波動外，還有因煤氣柜自身因素帶來的壓力波動。因煤氣柜柜內(nèi)儲存介質(zhì)密度特性，導(dǎo)致其柜內(nèi)存在壓力梯度現(xiàn)象以及煤氣柜活塞所處的運(yùn)行狀態(tài)，這兩種情況均會造成干式稀油柜柜內(nèi)壓力波動，從而對外部管網(wǎng)壓力波動產(chǎn)生影響。

2.1 干式稀油柜柜內(nèi)壓力梯度分析

干式稀油柜通常在活塞頂上和柜底側(cè)板上設(shè)有壓力檢測點(diǎn)，對于高爐煤氣柜和焦?fàn)t煤氣柜而言，隨著活塞上下運(yùn)行，這兩點(diǎn)所測的煤氣壓力的變化情況以及柜內(nèi)壓力梯度變化均有所不同。圖1為干式稀油柜壓力檢測點(diǎn)布置圖：

因煤氣柜設(shè)有的壓力表顯示的壓力為表壓，根據(jù)已知公式PABS=Pg+B，可知：

活塞壓力表處煤氣絕對壓力為：

PABS活塞=Pg活塞+B活塞 （1）

底部壓力表處煤氣絕對壓力為：

PABS底部=Pg底部+B底部 （2）

式中：

PABS活塞—活塞煤氣絕對壓力，Pa

Pg活塞—活塞煤氣表壓，Pa

B活塞—活塞大氣壓力，Pa

PABS底部—底部煤氣絕對壓力，Pa

Pg底部—底部煤氣表壓，Pa

B底部—底部大氣壓力，Pa

又根據(jù)已知流體力學(xué)公式：P=P0+ρgh，可知：

底部壓力表處煤氣絕對壓力為：

PABS底部=PABS活塞+ρ煤氣gh （3）

底部壓力表處空氣絕對壓力為：

B底部=B活塞+ρ空氣gh （4）

式中：

ρ煤氣為煤氣密度，在忽略壓力和溫度變化的影響，煤氣密度采取近似取值，高爐煤氣密度約1.3kg/m3，焦?fàn)t煤氣密度約0.45kg/m3

ρ空氣—空氣密度，約1.29kg/m3

g—重力加速度，約9.81N/kg

根據(jù)公式（1）和公式（2）可知：

Pg活塞-Pg底部=PABS活塞-PABS底部+B底部-B活塞

代入公式（3）和公式（4），可知：

Pg活塞-Pg底部=（ρ空氣-ρ煤氣）gh （5）

由此可知，當(dāng)干式稀油柜活塞上下運(yùn)行時，壓力表檢測出的柜內(nèi)活塞部和底部煤氣壓力的壓力差存在一定線性關(guān)系。根據(jù)壓力的定義可知，煤氣柜活塞部位的壓力僅與煤氣柜活塞及隨活塞運(yùn)行的附件總重量和煤氣柜橫截面積有關(guān)，即當(dāng)煤氣柜投入運(yùn)行后，理論狀態(tài)下煤氣柜活塞部位的煤氣檢測壓力值始終保持恒定，此壓力與煤氣柜儲存何種介質(zhì)無關(guān)。故式（5）體現(xiàn)的實(shí)際為煤氣柜底部煤氣壓力隨煤氣柜活塞運(yùn)行高度變化的波動趨勢。

代入式（3）和式（4）中定義的煤氣密度、空氣密度及重力加速度，可知高爐煤氣柜和焦?fàn)t煤氣柜底部煤氣壓力隨煤氣柜活塞運(yùn)行高度變化的波動趨勢：

高爐煤氣柜：Pg底部=Pg活塞+0.0981h （6）

焦?fàn)t煤氣柜：Pg底部=Pg活塞-8.2404h （7）

圖2為干式稀油柜分別儲存高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣時，以活塞部煤氣檢測壓力作為基點(diǎn)，煤氣柜底部檢測壓力隨活塞運(yùn)行高度變化的波動曲線圖，此圖亦為當(dāng)活塞所處運(yùn)行高度固定時煤氣柜柜內(nèi)沿高度方向的壓力梯度曲線圖。

圖2 底部煤氣壓力隨活塞運(yùn)行高度變化的波動趨勢圖

因干式稀油柜與外部管網(wǎng)連通的煤氣進(jìn)出口管道設(shè)置在煤氣柜底部，煤氣底部的壓力波動會直接影響到外部管網(wǎng)煤氣壓力波動。結(jié)合圖2及以上情況可知：當(dāng)干式稀油柜儲存密度偏移空氣密度較大的介質(zhì)時，柜內(nèi)壓力梯度會較大，對外部管網(wǎng)壓力波動的影響比較明顯，如儲存焦?fàn)t煤氣時，外部管網(wǎng)壓力波動高達(dá)80Pa/10m（壓力/活塞高度）；而當(dāng)儲存密度偏移空氣密度較小的介質(zhì)時，柜內(nèi)壓力梯度會較小，對外部管網(wǎng)壓力波動的影響不明顯，如儲存高爐煤氣時，外部管網(wǎng)壓力波動不到10Pa/10m（壓力/活塞高度）。

2.2 干式稀油柜活塞運(yùn)行狀態(tài)分析

隨著煤氣的進(jìn)出吞吐，干式稀油柜活塞處于上升或下降狀態(tài)，此時干式稀油柜柜內(nèi)壓力隨著活塞的上升或下降亦在不斷波動。

圖3為活塞處于靜止?fàn)顟B(tài)時活塞受力情況，圖4為活塞處于上升狀態(tài)時活塞受力情況，圖5為活塞處于下降狀態(tài)時活塞受力情況。

根據(jù)圖3～圖5可分析活塞處于以上各工作狀態(tài)下的受力情況：

活塞靜止?fàn)顟B(tài)下： （8）

活塞上升狀態(tài)下： （9）

活塞下降狀態(tài)下： （10）

式中：

F—活塞靜止?fàn)顟B(tài)下所受存儲氣體的正壓力，N

F1—活塞上升過程中所受存儲氣體的正壓力，N

F2—活塞下降過程中所受存儲氣體的正壓力，N

G—活塞自身重力，N

f—活塞升降過程中所受摩擦力，N

對于干式稀油柜而言，活塞與柜體側(cè)板之間的滑動是靠設(shè)置在活塞側(cè)面的密封橡膠或鋼滑板與側(cè)板滑動，因施加在密封橡膠或鋼滑板上的側(cè)壓力是固定的，所以無論活塞上升或下降，其所受摩擦力f為固定值。

由式（8）至式（10）可知，F(xiàn)1>F>F2，根據(jù)壓力計算公式F=Pg活塞S（其中S為煤氣柜橫截面積），可知Pg活塞1>Pg活塞>Pg活塞2，即在煤氣柜運(yùn)行過程中，活塞處于上升狀態(tài)時其活塞部位煤氣壓力最大，處于下降狀態(tài)時其活塞部位煤氣壓力最小。根據(jù)目前國內(nèi)煤氣柜的建設(shè)水平及運(yùn)行狀況分析，因摩擦力帶來的壓力波動一般在100～200Pa之間。

結(jié)合柜內(nèi)壓力梯度分析情況可知，在干式稀油柜活塞處于上升狀態(tài)時，因活塞部位煤氣壓力會有所提高，其運(yùn)行狀態(tài)能夠減小焦?fàn)t煤氣柜對外部管網(wǎng)的壓力波動影響值，但能增大高爐煤氣柜對外部管網(wǎng)的壓力波動影響值；在干式稀油柜活塞處于下降狀態(tài)時，其運(yùn)行狀態(tài)能夠增加焦?fàn)t煤氣柜對外部管網(wǎng)的壓力波動影響值，但能減小高爐煤氣柜對外部管網(wǎng)的壓力波動影響值。

3 結(jié)語

本文以干式稀油柜分別存儲焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣為例，綜合分析了柜內(nèi)壓力梯度和活塞運(yùn)行狀態(tài)綜合影響下，干式稀油柜柜內(nèi)壓力波動對外部管網(wǎng)的影響，可知當(dāng)儲存介質(zhì)密度偏移空氣密度較小時（如高爐煤氣），柜內(nèi)壓力波動對外部管網(wǎng)的影響比較??；當(dāng)儲存儲存介質(zhì)密度偏移空氣密度較大時（如焦?fàn)t煤氣），柜內(nèi)壓力波動對外部管網(wǎng)的影響比較大，尤其活塞高位運(yùn)行時，柜內(nèi)壓力梯度和活塞所處運(yùn)行狀態(tài)所帶來的柜內(nèi)壓力波動相疊加，會直接加劇外部管網(wǎng)的壓力波動情況。因此在確定干式稀油柜儲氣壓力時，需要充分考慮干式稀油柜柜內(nèi)壓力波動對外部管網(wǎng)的影響，需利用分析過程估算柜內(nèi)壓力波動值，并最終將其用于調(diào)整最終儲氣壓力，以滿足當(dāng)煤氣柜向外輸送煤氣時外部管網(wǎng)用戶最低用氣壓力需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉納新，盧燊.焦?fàn)t煤氣柜內(nèi)“浮力”問題及對策

[J].煤化工，2003，（6）.

作者簡介：柳智（1983-），男，重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司工程師，碩士，研究方向：燃?xì)鈱I(yè)設(shè)計及項(xiàng)目管理。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）