鋼鐵廠煤氣管網(wǎng)的模擬分析及其應(yīng)用

孔玉柱

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司煉鋼二廠，山西太原 030003）

引言

鋼鐵廠生產(chǎn)過(guò)程中在消耗大量能源的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的副產(chǎn)煤氣。高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣是鋼廠在生產(chǎn)過(guò)程中副產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)氣體燃料，占企業(yè)總能耗的比例很大，是鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程重要的二次能源。

鋼鐵廠的副產(chǎn)煤氣量非常大，如對(duì)于大中型的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，其煤氣回收總量可達(dá)100 萬(wàn)～300 萬(wàn)m3/h，這就對(duì)煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)的輸送及儲(chǔ)配能力提出了較高要求[1]。隨著鋼鐵廠不斷擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，國(guó)內(nèi)許多鋼鐵企業(yè)不斷對(duì)煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，使煤氣輸送能力不斷提升，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。

在鋼廠煤氣管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中，由于各煤氣產(chǎn)耗端的生產(chǎn)調(diào)節(jié)變化，容易造成管網(wǎng)壓力波動(dòng)[2]，如自備電廠等大用量用戶突然關(guān)停時(shí)，煤氣流量的突然變化會(huì)導(dǎo)致煤氣管網(wǎng)壓力在短時(shí)間內(nèi)急劇上升，如果不采取相應(yīng)的措施，可能會(huì)發(fā)生擊穿排水密封罐而外泄煤氣等安全事故，造成管網(wǎng)設(shè)備和其他用氣設(shè)備的損壞。針對(duì)煤氣管網(wǎng)運(yùn)行管理，最有效的處理手段是防患于未然，因此，一些研究針對(duì)煤氣管網(wǎng)進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)仿真對(duì)可能的事故工況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，為制定應(yīng)對(duì)措施提供支撐。如周游等采用數(shù)值解法和特征線法模擬燃?xì)夤艿赖姆欠€(wěn)態(tài)流動(dòng)[3]，劉曉婧等采用SIMPLE 改進(jìn)算法對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬[4]。

筆者在前人理論研究基礎(chǔ)上，基于水力學(xué)理論建立煤氣管網(wǎng)運(yùn)行計(jì)算模型，并以鋼鐵廠實(shí)際煤氣管網(wǎng)建立仿真模型，針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的各類工況進(jìn)行模擬，為煤氣管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 管網(wǎng)建模及求解

按照煤氣管道的流動(dòng)特性，管道流動(dòng)模型包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程以及氣體狀態(tài)方程，由于煤氣管道溫度變化很小，可不考慮能量方程。因此，模型方程如下：

氣體狀態(tài)方程：p=zρRT

式中，ρ——?dú)怏w密度，kg/m3；

τ——時(shí)間，s；

v——?dú)怏w速度，m/s；

x——長(zhǎng)度，m；

p——?dú)怏w壓力，Pa；

λ——管道水力摩阻系數(shù)；

d——管道內(nèi)徑，m；

g——重力加速度，m/s2；

θ——管道與水平方向夾角，°；

z——?dú)怏w壓縮因子；

R——?dú)怏w常數(shù)，J/（kg·K）；

T——?dú)怏w溫度，K。

煤氣管道流動(dòng)一般情況下都處于紊流狀態(tài)，模型中管道摩擦系數(shù)的計(jì)算參照《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》和鋼廠管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)綜合考慮取值，λ=0.025～0.035。

鋼鐵廠的煤氣管網(wǎng)是由管道、閥門(mén)、設(shè)備等連接而成，根據(jù)圖論法，通過(guò)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣A和環(huán)路矩陣B來(lái)描述管網(wǎng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系[5]，并按照管道流動(dòng)動(dòng)量守恒關(guān)系，可以把壓力信息與管網(wǎng)連接關(guān)系信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，其關(guān)系式為：

式中，AT——節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣轉(zhuǎn)置；

p——對(duì)應(yīng)于壓力基點(diǎn)的壓差；

Δp——管段壓降列向量。

采用C#編寫(xiě)計(jì)算程序，將上述管道流動(dòng)數(shù)學(xué)模型方案按有限體積法一維交錯(cuò)網(wǎng)格將壓力-速度耦合方程進(jìn)行離散，將不同工況對(duì)應(yīng)的邊界條件代入離散方程組進(jìn)行迭代求解。

2 應(yīng)用案例與分析

圖1 是國(guó)內(nèi)某鋼鐵廠的高爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)圖，表1為該廠高爐煤氣系統(tǒng)煤氣靜態(tài)平衡表。筆者根據(jù)該管網(wǎng)的管道及設(shè)備數(shù)據(jù)建立煤氣管網(wǎng)模擬分析模型，并按照煤氣系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)為計(jì)算邊界，分別對(duì)正常工況及一些特殊工況下煤氣管網(wǎng)運(yùn)行特性進(jìn)行模擬分析。

圖1 國(guó)內(nèi)某鋼鐵廠高爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)圖

表1 煤氣靜態(tài)平衡表

2.1 正常工況下煤氣柜運(yùn)行狀態(tài)模擬

采用了該鋼鐵廠在正常生產(chǎn)工況下的各計(jì)算邊界的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，其中煤氣柜在對(duì)應(yīng)計(jì)算工況下的吞吐情況及柜容變化情況如圖2 所示。圖中在0值上下震蕩的曲線表示煤氣柜的吞吐煤氣量，正值表示煤氣進(jìn)入氣柜，負(fù)值表示氣柜向管網(wǎng)補(bǔ)充煤氣。圖中連續(xù)變化的曲線是柜容隨時(shí)間的變化情況，計(jì)算假設(shè)0時(shí)刻時(shí)柜容為0 m3，從整個(gè)曲線可以看出柜容在計(jì)算工況下柜容的相對(duì)變化情況。

模擬計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為3 h，過(guò)程中煤氣柜柜容變化最大需求為3300 m3左右，按此計(jì)算可以對(duì)正常工況下煤氣柜柜容的操作空間進(jìn)行定量估計(jì)。

2.2 高爐休風(fēng)的工況模擬

在正常生產(chǎn)的情況下假設(shè)出現(xiàn)高爐休風(fēng)，依據(jù)操作規(guī)程高爐煤氣發(fā)生量及高爐噴煤的用量在第5 min 左右減為0，熱風(fēng)爐在高爐休風(fēng)后維持原用量1 min，之后減為0。按上述工況設(shè)定邊界模擬計(jì)算得到管網(wǎng)主要用戶點(diǎn)的煤氣壓力變化情況，如圖3所示。

從圖3可以看出，由于高爐休風(fēng)，各用戶點(diǎn)的壓力均迅速下降，多數(shù)用戶在0.5 min 左右壓力就降到5 kPa 以下，已無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)的工藝需求。由于整個(gè)系統(tǒng)中僅有一座高爐，是系統(tǒng)中唯一的氣源，所以建議在高爐休風(fēng)前，部分用戶先停機(jī)或者在高爐緊急休風(fēng)時(shí)，部分用戶隨之緊急停機(jī)，以保障管網(wǎng)不出現(xiàn)失壓。

2.3 高爐管道現(xiàn)象的模擬

高爐出現(xiàn)管道現(xiàn)象，由于煤氣溫度升高，煤氣體積增大約30%；同時(shí)煤氣熱值提高，用戶用量將減少約31%。高爐管道現(xiàn)象的模擬假設(shè)0 時(shí)刻開(kāi)始發(fā)生管道現(xiàn)象，煤氣柜在0時(shí)刻時(shí)柜容為0 m3，發(fā)生管道現(xiàn)象后2 min后放散塔開(kāi)啟。

圖4 顯示了發(fā)生高爐管道現(xiàn)象后煤氣系統(tǒng)3 min 內(nèi)煤氣管網(wǎng)壓力變化情況。從圖中可以看出，發(fā)生管道現(xiàn)象后，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)壓力從11～12 kPa 迅速上升至14～16 kPa，直到放散打開(kāi)后又重新下降到之前的壓力水平。整個(gè)過(guò)程中煤氣柜柜容累計(jì)上升約13000 m3，由于煤氣柜的緩沖作用以及放散塔的及時(shí)開(kāi)啟，管網(wǎng)未出現(xiàn)超過(guò)壓力安全限值的情況。

2.4 自備電廠緊急關(guān)停的模擬

自備電廠緊急關(guān)停的模擬按照第2 min 時(shí)，電廠用量在1 s 內(nèi)減為0，2 min 后啟動(dòng)放散，10 min后啟動(dòng)電廠備用機(jī)組進(jìn)行工況設(shè)定。

圖5顯示了按工況設(shè)定模擬得到的煤氣柜吞及放散塔狀態(tài)變化曲線。隨著電廠的緊急關(guān)停，約有22 萬(wàn)m3/h 的煤氣進(jìn)入煤氣柜，而放散開(kāi)啟后，煤氣柜的吞（吐）氣速度又恢復(fù)零左右。整個(gè)過(guò)程中柜容的相對(duì)變化量約為11000 m3。

圖5 自備電廠緊急關(guān)停時(shí)煤氣柜及放散塔的狀態(tài)變化

圖6顯示了自備電廠緊急關(guān)停過(guò)程中煤氣管網(wǎng)壓力的變化模擬情況。

圖6 自備電廠緊急關(guān)停時(shí)管網(wǎng)壓力的變化

從圖6 中可以看出，2 min 時(shí)電廠緊急關(guān)停，系統(tǒng)壓力迅速上升，最高達(dá)到14 kPa，隨著后續(xù)放散打開(kāi)以及備用發(fā)電機(jī)組的投用，壓力下降到正常狀態(tài)。整個(gè)過(guò)程未出現(xiàn)超過(guò)煤氣系統(tǒng)的壓力安全限值的情況。

3 總結(jié)

以上基于鋼鐵企業(yè)煤氣管網(wǎng)的水力學(xué)特性，根據(jù)相關(guān)理論建立了模擬煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)壓力和流量變化的計(jì)算模型。應(yīng)用該計(jì)算模型對(duì)國(guó)內(nèi)某鋼鐵廠的高爐煤氣管網(wǎng)在正常工況和特殊工況的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，對(duì)煤氣柜的運(yùn)行特性和管網(wǎng)運(yùn)行的安全性進(jìn)行了分析。實(shí)踐表明，模擬結(jié)果能夠較好地反映煤氣系統(tǒng)在各種工況條件下的動(dòng)態(tài)特性。

應(yīng)用管網(wǎng)模擬計(jì)算模型還可以為管網(wǎng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供參考，包括：

（1）煤氣管網(wǎng)的改建方案的安全性及實(shí)施效果進(jìn)行預(yù)判，對(duì)不同的管道連接方案進(jìn)行評(píng)估，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

（2）對(duì)煤氣系統(tǒng)的事故工況進(jìn)行事前預(yù)演、事后分析，為制定調(diào)度應(yīng)急方案提供定量數(shù)據(jù)支撐。

（3）進(jìn)行在線模擬運(yùn)行，為煤氣管網(wǎng)運(yùn)行提供軟計(jì)量功能。