橡膠膜密封干式煤氣柜呼吸系統(tǒng)模擬與分析

付重重，譚 輝，黃永紅

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北武漢430223）

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橡膠膜密封干式煤氣柜呼吸系統(tǒng)模擬與分析

付重重，譚 輝，黃永紅

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北武漢430223）

對(duì)橡膠膜密封干式煤氣柜的呼吸系統(tǒng)做了介紹，應(yīng)用數(shù)學(xué)計(jì)算和模擬計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)三種方法對(duì)煤氣柜的呼吸系統(tǒng)做了分析，提出了驗(yàn)證煤氣柜呼吸系統(tǒng)適應(yīng)性的一種有效途徑。

橡膠膜密封干式煤氣柜；呼吸系統(tǒng)；模擬

1 概述

在鋼鐵企業(yè)的煤氣回收系統(tǒng)中，煤氣柜是一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)，起著輸配煤氣、穩(wěn)壓調(diào)峰的關(guān)鍵作用。橡膠膜密封型干式煤氣柜是煤氣柜中運(yùn)用非常廣泛的一種柜型，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，應(yīng)用成熟，安全可靠，建設(shè)及維護(hù)成本均較低，受到許多鋼鐵企業(yè)的青睞。但是，由于這種氣柜本身具有直徑大、活塞升降速度快、煤氣回收方式為周期性等特點(diǎn)，這就導(dǎo)致了在這種氣柜的大型化設(shè)計(jì)中，其活塞上部空間的空氣排出、吸入系統(tǒng)需要加以重視，因?yàn)榛钊喜康暮粑到y(tǒng)是否合理直接影響到氣柜的運(yùn)行效果。

本文對(duì)該型煤氣柜的活塞上部空間的呼吸系統(tǒng)通過(guò)理論分析、數(shù)學(xué)計(jì)算、CAE模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)幾種方式加以剖析，并以這幾種方法相互驗(yàn)證，確保了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。從煤氣柜呼吸系統(tǒng)的源頭出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行了分析和探討，提出了兩種分析計(jì)算的方法，希望能夠?qū)γ簹夤窈粑到y(tǒng)的設(shè)計(jì)有所裨益。

2 橡膠膜密封煤氣柜及其呼吸系統(tǒng)簡(jiǎn)介

橡膠膜密封干式煤氣柜的呼吸系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）是指煤氣柜內(nèi)活塞板上部、柜頂板下部與側(cè)板之間的空間的空氣排出、吸入系統(tǒng)。當(dāng)煤氣柜回收煤氣時(shí)，煤氣從進(jìn)口管進(jìn)入柜內(nèi)，活塞上升，從而活塞上部空間的空氣也從通風(fēng)氣樓以及側(cè)板上的通風(fēng)氣孔排出柜外；當(dāng)煤氣柜輸出煤氣時(shí)，煤氣從出口管送入外部管網(wǎng)，活塞下行，從而空氣從通風(fēng)氣樓以及側(cè)板上的通風(fēng)氣孔進(jìn)入活塞上部空間，維持其呼吸系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定。

圖1 煤氣柜呼吸系統(tǒng)示意圖

3 橡膠膜密封干式煤氣柜呼吸系統(tǒng)重要性的分析

橡膠膜密封干式煤氣柜的呼吸系統(tǒng)需要引起工程人員的重視，主要是因?yàn)檫@種氣柜與其他柜型煤氣柜（主要包括曼型柜、新型柜和科隆柜等）相比，具有的兩個(gè)特點(diǎn)。第一，這種柜型的煤氣柜的外形屬矮胖型，其高徑比約為0.75左右，這就注定了這種氣柜的大型化一定伴隨著氣柜直徑的顯著增大；第二，橡膠膜密封干式煤氣柜還有著活塞升降速度高的特點(diǎn)，其允許的最大上升速度可達(dá)5 m/min。綜合這兩個(gè)原因可以知道，在橡膠膜密封干式煤氣柜的運(yùn)行中，其呼吸系統(tǒng)的空氣流通量是十分巨大的（約110萬(wàn)m3/h），而其空氣出入的途徑僅有柜頂?shù)耐L(fēng)氣樓以及側(cè)板上的通風(fēng)氣孔。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)脑挘苡锌赡茉诿簹夤竦倪\(yùn)行中，由于呼吸系統(tǒng)空氣流通不暢，導(dǎo)致壓力累積，對(duì)煤氣柜的運(yùn)行壓力造成一定的影響，在某些極端情況下，甚至有可能對(duì)煤氣柜的密封部件或是活塞板、柜頂板、側(cè)壁等造成結(jié)構(gòu)性的損害，這都嚴(yán)重威脅著煤氣柜的正常運(yùn)行。

4 煤氣柜呼吸系統(tǒng)分析計(jì)算方法

研究對(duì)象選取為15萬(wàn)m3橡膠膜密封干式煤氣柜的呼吸系統(tǒng)，這也是國(guó)內(nèi)該種柜型的最大容積，并且其在工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，具有典型的代表意義。針對(duì)此類課題的研究方法我們選取了理論研究和計(jì)算機(jī)模擬兩種方法。

4.1 煤氣柜呼吸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)計(jì)算方法

活塞升降對(duì)柜體的影響：活塞升降速度最大達(dá)到5 m/min，柜體內(nèi)活塞上部空間的空氣排出和吸入量較大，因此不能忽略對(duì)氣體壓力對(duì)柜體的影響，同時(shí)需考慮氣樓、通風(fēng)孔的面積，防止阻力過(guò)大影響活塞運(yùn)行，造成柜內(nèi)煤氣壓力波動(dòng)。

以常見(jiàn)的15萬(wàn)m3橡膠膜密封干式煤氣柜為例，其計(jì)算用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：

公稱容積：150000 m3；

儲(chǔ)存介質(zhì)：轉(zhuǎn)爐煤氣；

柜體直徑：68.6 m；

儲(chǔ)存壓力：第一級(jí)1800 Pa；第二級(jí)2500 Pa；

活塞最大運(yùn)行速度：5 m/min；

入口煤氣最高溫度：73℃；

通風(fēng)氣樓主要尺寸：開(kāi)孔直徑：6.5 m；風(fēng)帽直徑：8.2 m；

側(cè)板通風(fēng)孔主要尺寸及數(shù)量：1#孔尺寸：0.04 m2，共144個(gè)；2#孔尺寸：0.03 m2，共36個(gè)。

4.1.1 計(jì)算通風(fēng)面積

側(cè)板通風(fēng)孔面積：S1=m×a＋n×b

氣樓開(kāi)孔面積：S2=π×（d÷2）2

則氣柜運(yùn)行時(shí)活塞上部空氣可出入的通道面積：S=S1+S2

其中：S1——側(cè)板通風(fēng)孔面積，m2；

S2——?dú)鈽情_(kāi)孔面積，m2；

S——?dú)夤襁\(yùn)行時(shí)活塞上部空氣可出入的通道面積，m2；

a——側(cè)板1#通風(fēng)孔面積，取0.04 m2；

b——側(cè)板2#通風(fēng)孔面積，取0.03 m2；

m——側(cè)板1#通風(fēng)孔個(gè)數(shù)，取144；

n——側(cè)板2#通風(fēng)孔個(gè)數(shù)，取36；

d——通風(fēng)氣樓開(kāi)孔直徑，取6.5 m。

帶入解得：S=40 m2

4.1.2 計(jì)算流量及風(fēng)速

氣柜運(yùn)行時(shí)活塞上部空氣的流量約為：

空氣通過(guò)側(cè)板通風(fēng)孔及通風(fēng)氣樓時(shí)的速度：

其中：Q——?dú)夤襁\(yùn)行時(shí)活塞上部空氣的流量，m3/s；

v0——活塞運(yùn)行速度，取5 m/min；

D——煤氣柜柜體內(nèi)徑，取68.6 m；

v′——空氣通過(guò)側(cè)板通風(fēng)孔及通風(fēng)氣樓時(shí)的速度，m/s。

帶入計(jì)算得：Q=308 m3/s；v′=7.7 m/s

4.1.3 壓力損失

其中：ΔP1——通過(guò)理論計(jì)算得出的壓力差，Pa；

v——流速，m/s；

ρ——密度，kg/m3，標(biāo)準(zhǔn)空氣密度取1.293；

ζ——局部阻力系數(shù)，取1.8。

計(jì)算得：ΔP1=60 Pa

4.2 煤氣柜呼吸系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬方法

4.2.1 模型設(shè)定

（1）模型簡(jiǎn)介：

根據(jù)上述計(jì)算用基本數(shù)據(jù)，通過(guò)三維建模軟件建立模型，將三維模型導(dǎo)入到流體計(jì)算軟件中，并給定各種邊界條件等。由于煤氣柜具有高度對(duì)稱性，為減少計(jì)算量，選取了煤氣柜的1/18作為模型，并不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。主體采用計(jì)算精度高的六面體網(wǎng)格，在靠近柜頂通風(fēng)氣樓和側(cè)板通風(fēng)氣孔區(qū)域，使用了非常細(xì)密的網(wǎng)格。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

（2）各種邊界的設(shè)定：

計(jì)算模型中，將煤氣柜活塞板、側(cè)板、柜頂板等均假定為絕對(duì)剛體，不涉及流固耦合，流場(chǎng)中為平均風(fēng)，即活塞板以勻速上行，同時(shí)忽略浮力、溫度等的影響。

4.2.2 模擬結(jié)果及分析

模擬計(jì)算的結(jié)果，主要關(guān)注柜內(nèi)呼吸系統(tǒng)整個(gè)空間的壓力分布，空氣流通面的空氣流通速度、空間內(nèi)氣體流動(dòng)狀況、活塞板上所受空氣壓力大小等，見(jiàn)圖3～圖5。

方案主要參數(shù)：柜容為15萬(wàn)m3，活塞上行速度5 m/min。

圖3 計(jì)算結(jié)果一：壓力場(chǎng)及速度流線

圖4 計(jì)算結(jié)果二：速度場(chǎng)及速度流線

圖5 計(jì)算結(jié)果三：壓力隨時(shí)間變化的曲線

計(jì)算結(jié)果形成方案如下：

關(guān)鍵條件：柜頂開(kāi)孔：6.5 m；活塞速度：5 m/min；

空氣出口流速（通風(fēng)氣樓）：11 m/s；

空氣出口流速（側(cè)板通風(fēng)孔）：2 m/s；

活塞所受壓強(qiáng)：73 Pa；

活塞所受壓力：271 kN。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，以15萬(wàn)m3橡膠膜密封干式煤氣柜為例，當(dāng)活塞以5 m/min的速度上升時(shí)，活塞板上的空氣側(cè)將對(duì)活塞板產(chǎn)生一定的壓力，這個(gè)壓力也就阻礙著活塞的繼續(xù)上升，本次模擬得出的阻力的結(jié)果為ΔP2=73 Pa，這也會(huì)造成煤氣柜柜內(nèi)煤氣的壓力的波動(dòng)，波動(dòng)范圍為73/1800=4%。從以上分析可以得出，在模擬計(jì)算下，15萬(wàn)m3橡膠膜密封干式煤氣柜在應(yīng)對(duì)活塞高速上升的情況下的壓力波動(dòng)并不大。

同時(shí)，在模擬環(huán)境下，柜內(nèi)呼吸系統(tǒng)的空氣流動(dòng)狀況比較規(guī)律，柜頂開(kāi)孔6.5 m，活塞流速5 m/min的工況下，通風(fēng)氣樓、側(cè)板通風(fēng)孔處的空氣流動(dòng)速度分別為11 m/s、2 m/s，側(cè)板通風(fēng)孔處空氣流動(dòng)較為平緩，通風(fēng)氣樓處的流動(dòng)稍微劇烈些，需在設(shè)計(jì)中引起關(guān)注。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況

另外，為了能夠?qū)σ陨蟽煞N方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，本文還對(duì)已有工程進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，選取的是遼寧某鋼廠的15萬(wàn)m3橡膠膜密封干式煤氣柜的呼吸系統(tǒng)，其運(yùn)行參數(shù)與上述計(jì)算的對(duì)象一致。

主要通過(guò)記錄不同區(qū)域的煤氣壓力來(lái)對(duì)壓力損失進(jìn)行推算，選取的測(cè)量對(duì)象為：氣柜進(jìn)口煤氣壓力，柜內(nèi)煤氣壓力，氣柜出口煤氣壓力。在同一時(shí)間，記錄的三者的值分別為：1.88 kPa，1.79 kPa，1.72 kPa（此時(shí)氣柜處于第一級(jí)壓力，正在回收煤氣）。可以計(jì)算出氣柜進(jìn)口煤氣壓力與柜內(nèi)煤氣壓力差值為P3=1.88 kPa-1.79 kPa=0.09 kPa=90 Pa。

這個(gè)壓力差既包括了煤氣柜呼吸系統(tǒng)對(duì)活塞造成的阻力，也包括了煤氣通過(guò)柜前閥門、部分管道、進(jìn)口處產(chǎn)生的局部阻力。

局部阻力簡(jiǎn)單計(jì)算如下：

P3′=ζ×（v2÷2÷g）×（γ0+dc）×kv

式中：P3′——局部阻力，Pa；

ζ——局部阻力系數(shù)，取1.3；

v——煤氣流速，取15 m/s；

g——重力加速度，取9.81 m/s2；

γ0——煤氣密度，取1.293 kg/m3；dc——煤氣含濕量，取0.115 kg/m3；

kv——體積校正系數(shù)，取1.345。

帶入計(jì)算得：P3′=28.23 Pa

儀表記錄的壓力差減去局部阻力，即得到煤氣柜呼吸系統(tǒng)對(duì)活塞造成的阻力：

ΔP3=P3-P3′=90 Pa-28.23 Pa=61.77 Pa

式中：P3——?dú)夤襁M(jìn)口煤氣壓力與柜內(nèi)煤氣壓力差值，Pa；

ΔP3——空氣系統(tǒng)阻力的實(shí)測(cè)值，Pa。

4.4 對(duì)比驗(yàn)證（見(jiàn)表1）

Simulation and Analyses of the Breath System of Rubber Sealed Dry Gasholder

FU Zhongzhong，TAN Hui，HUANG Yonghong
(WISDRI,Engineering&Research Inco.,Ltd.,Wuhan 430223,China)

The breath system of the rubber-film sealed dry gasholder was introduced and analyzed with three methods of mathematical calculation,simulation calculation and actual site measurement.Finally an effective approach to verify the adaptability of gasholder breath system was put forward.

rubber sealed dry gasholder;breath system;simulation

TQ547.9

B

1006-6764(2015)05-0007-03