干式稀油柜柜內壓力波動對外部管網的影響分析

摘要：隨著近些年國內鋼鐵行業的發展，煤氣柜在鋼鐵廠的應用日趨廣泛，干式煤氣柜因其儲氣壓力高、活塞速度快等特點已被更多人所接受。文章討論了用于儲存高爐煤氣和焦爐煤氣的干式稀油柜柜內壓力波動情況，分析了其壓力波動對外部管網產生的影響，可以此作為指導來合理確定干式稀油柜的儲氣壓力。

關鍵詞：干式稀油柜；柜內壓力；壓力波動；外部管網；煤氣柜；鋼鐵廠 文獻標識碼：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

隨著近些年國內鋼鐵行業的發展，國內環保行業對鋼鐵廠能源排放要求在逐步提高，煤氣柜在鋼鐵廠的應用日趨廣泛，與此同時，煤氣柜技術也得到了飛速發展。從煤氣柜結構形式上劃分，煤氣柜柜型可分為濕式煤氣柜和干式煤氣柜，濕式煤氣柜因結構形式的缺陷及環保要求的日趨提高，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爐煤氣的干式稀油柜柜內壓力波動情況，以此為例分析了其柜內壓力波動對外部管網產生的影響。

2 干式稀油柜柜內壓力波動分析

煤氣柜作為鋼鐵廠平衡管網壓力的一個重要調節手段，當煤氣發生量和消耗量波動時，主管網壓力隨之波動，如果煤氣發生量大于消耗量，主管網壓力升高，剩余煤氣將自動進入煤氣柜；如果煤氣發生量小于消耗量，主管網壓力降低，所缺煤氣將自動由煤氣柜補充。這樣很容易給人們造成一種錯覺：只要煤氣柜處于在線運行狀態，則外部煤氣管網壓力就會非常穩定。而實際上煤氣外部管網壓力是存在一定的壓力波動，除去因煤氣調度調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。因煤氣柜柜內儲存介質密度特性，導致其柜內存在壓力梯度現象以及煤氣柜活塞所處的運行狀態，這兩種情況均會造成干式稀油柜柜內壓力波動，從而對外部管網壓力波動產生影響。

2.1 干式稀油柜柜內壓力梯度分析

干式稀油柜通常在活塞頂上和柜底側板上設有壓力檢測點，對于高爐煤氣柜和焦爐煤氣柜而言，隨著活塞上下運行，這兩點所測的煤氣壓力的變化情況以及柜內壓力梯度變化均有所不同。圖1為干式稀油柜壓力檢測點布置圖：

因煤氣柜設有的壓力表顯示的壓力為表壓，根據已知公式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

又根據已知流體力學公式：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，焦爐煤氣密度約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，當干式稀油柜活塞上下運行時，壓力表檢測出的柜內活塞部和底部煤氣壓力的壓力差存在一定線性關系。根據壓力的定義可知，煤氣柜活塞部位的壓力僅與煤氣柜活塞及隨活塞運行的附件總重量和煤氣柜橫截面積有關，即當煤氣柜投入運行后，理論狀態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無關。故式（5）體現的實際為煤氣柜底部煤氣壓力隨煤氣柜活塞運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爐煤氣柜底部煤氣壓力隨煤氣柜活塞運行高度變化的波動趨勢：

高爐煤氣柜：Pg底部=Pg活塞+0.0981h （6）

焦爐煤氣柜：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爐煤氣時，以活塞部煤氣檢測壓力作為基點，煤氣柜底部檢測壓力隨活塞運行高度變化的波動曲線圖，此圖亦為當活塞所處運行高度固定時煤氣柜柜內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行高度變化的波動趨勢圖

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

2.2 干式稀油柜活塞運行狀態分析

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

圖3為活塞處于靜止狀態時活塞受力情況，圖4為活塞處于上升狀態時活塞受力情況，圖5為活塞處于下降狀態時活塞受力情況。

根據圖3～圖5可分析活塞處于以上各工作狀態下的受力情況：

活塞靜止狀態下： （8）

活塞上升狀態下： （9）

活塞下降狀態下： （10）

式中：

F—活塞靜止狀態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，活塞與柜體側板之間的滑動是靠設置在活塞側面的密封橡膠或鋼滑板與側板滑動，因施加在密封橡膠或鋼滑板上的側壓力是固定的，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，F1>F>F2，根據壓力計算公式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，即在煤氣柜運行過程中，活塞處于上升狀態時其活塞部位煤氣壓力最大，處于下降狀態時其活塞部位煤氣壓力最小。根據目前國內煤氣柜的建設水平及運行狀況分析，因摩擦力帶來的壓力波動一般在100～200Pa之間。

結合柜內壓力梯度分析情況可知，在干式稀油柜活塞處于上升狀態時，因活塞部位煤氣壓力會有所提高，其運行狀態能夠減小焦爐煤氣柜對外部管網的壓力波動影響值，但能增大高爐煤氣柜對外部管網的壓力波動影響值；在干式稀油柜活塞處于下降狀態時，其運行狀態能夠增加焦爐煤氣柜對外部管網的壓力波動影響值，但能減小高爐煤氣柜對外部管網的壓力波動影響值。

3 結語

本文以干式稀油柜分別存儲焦爐煤氣和高爐煤氣為例，綜合分析了柜內壓力梯度和活塞運行狀態綜合影響下，干式稀油柜柜內壓力波動對外部管網的影響，可知當儲存介質密度偏移空氣密度較小時（如高爐煤氣），柜內壓力波動對外部管網的影響比較小；當儲存儲存介質密度偏移空氣密度較大時（如焦爐煤氣），柜內壓力波動對外部管網的影響比較大，尤其活塞高位運行時，柜內壓力梯度和活塞所處運行狀態所帶來的柜內壓力波動相疊加，會直接加劇外部管網的壓力波動情況。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壓力波動對外部管網的影響，需利用分析過程估算柜內壓力波動值，并最終將其用于調整最終儲氣壓力，以滿足當煤氣柜向外輸送煤氣時外部管網用戶最低用氣壓力需求。

參考文獻

[1] 劉納新，盧燊.焦爐煤氣柜內“浮力”問題及對策

[J].煤化工，2003，（6）.

作者簡介：柳智（1983-），男，重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司工程師，碩士，研究方向：燃氣專業設計及項目管理。

（責任編輯：秦遜玉）