橡膠膜密封干式煤氣柜呼吸系統模擬與分析

付重重，譚 輝，黃永紅

（中冶南方工程技術有限公司，湖北武漢430223）

燃氣

橡膠膜密封干式煤氣柜呼吸系統模擬與分析

付重重，譚 輝，黃永紅

（中冶南方工程技術有限公司，湖北武漢430223）

對橡膠膜密封干式煤氣柜的呼吸系統做了介紹，應用數學計算和模擬計算、現場實測三種方法對煤氣柜的呼吸系統做了分析，提出了驗證煤氣柜呼吸系統適應性的一種有效途徑。

橡膠膜密封干式煤氣柜；呼吸系統；模擬

1 概述

在鋼鐵企業的煤氣回收系統中，煤氣柜是一個極為重要的環節，起著輸配煤氣、穩壓調峰的關鍵作用。橡膠膜密封型干式煤氣柜是煤氣柜中運用非常廣泛的一種柜型，其結構簡單，操作方便，應用成熟，安全可靠，建設及維護成本均較低，受到許多鋼鐵企業的青睞。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，這就導致了在這種氣柜的大型化設計中，其活塞上部空間的空氣排出、吸入系統需要加以重視，因為活塞上部的呼吸系統是否合理直接影響到氣柜的運行效果。

本文對該型煤氣柜的活塞上部空間的呼吸系統通過理論分析、數學計算、CAE模擬、現場實測幾種方式加以剖析，并以這幾種方法相互驗證，確保了分析結果的準確性。從煤氣柜呼吸系統的源頭出發，對其進行了分析和探討，提出了兩種分析計算的方法，希望能夠對煤氣柜呼吸系統的設計有所裨益。

2 橡膠膜密封煤氣柜及其呼吸系統簡介

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

圖1 煤氣柜呼吸系統示意圖

3 橡膠膜密封干式煤氣柜呼吸系統重要性的分析

橡膠膜密封干式煤氣柜的呼吸系統需要引起工程人員的重視，主要是因為這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，具有的兩個特點。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，其允許的最大上升速度可達5 m/min。綜合這兩個原因可以知道，在橡膠膜密封干式煤氣柜的運行中，其呼吸系統的空氣流通量是十分巨大的（約110萬m3/h），而其空氣出入的途徑僅有柜頂的通風氣樓以及側板上的通風氣孔。如果設計不當的話，很有可能在煤氣柜的運行中，由于呼吸系統空氣流通不暢，導致壓力累積，對煤氣柜的運行壓力造成一定的影響，在某些極端情況下，甚至有可能對煤氣柜的密封部件或是活塞板、柜頂板、側壁等造成結構性的損害，這都嚴重威脅著煤氣柜的正常運行。

4 煤氣柜呼吸系統分析計算方法

研究對象選取為15萬m3橡膠膜密封干式煤氣柜的呼吸系統，這也是國內該種柜型的最大容積，并且其在工程中的應用越來越廣泛，具有典型的代表意義。針對此類課題的研究方法我們選取了理論研究和計算機模擬兩種方法。

4.1 煤氣柜呼吸系統的數學計算方法

活塞升降對柜體的影響：活塞升降速度最大達到5 m/min，柜體內活塞上部空間的空氣排出和吸入量較大，因此不能忽略對氣體壓力對柜體的影響，同時需考慮氣樓、通風孔的面積，防止阻力過大影響活塞運行，造成柜內煤氣壓力波動。

以常見的15萬m3橡膠膜密封干式煤氣柜為例，其計算用基礎數據如下：

公稱容積：150000 m3；

儲存介質：轉爐煤氣；

柜體直徑：68.6 m；

儲存壓力：第一級1800 Pa；第二級2500 Pa；

活塞最大運行速度：5 m/min；

入口煤氣最高溫度：73℃；

通風氣樓主要尺寸：開孔直徑：6.5 m；風帽直徑：8.2 m；

側板通風孔主要尺寸及數量：1#孔尺寸：0.04 m2，共144個；2#孔尺寸：0.03 m2，共36個。

4.1.1 計算通風面積

側板通風孔面積：S1=m×a＋n×b

氣樓開孔面積：S2=π×（d÷2）2

則氣柜運行時活塞上部空氣可出入的通道面積：S=S1+S2

其中：S1——側板通風孔面積，m2；

S2——氣樓開孔面積，m2；

S——氣柜運行時活塞上部空氣可出入的通道面積，m2；

a——側板1#通風孔面積，取0.04 m2；

b——側板2#通風孔面積，取0.03 m2；

m——側板1#通風孔個數，取144；

n——側板2#通風孔個數，取36；

d——通風氣樓開孔直徑，取6.5 m。

帶入解得：S=40 m2

4.1.2 計算流量及風速

氣柜運行時活塞上部空氣的流量約為：

空氣通過側板通風孔及通風氣樓時的速度：

其中：Q——氣柜運行時活塞上部空氣的流量，m3/s；

v0——活塞運行速度，取5 m/min；

D——煤氣柜柜體內徑，取68.6 m；

v′——空氣通過側板通風孔及通風氣樓時的速度，m/s。

帶入計算得：Q=308 m3/s；v′=7.7 m/s

4.1.3 壓力損失

其中：ΔP1——通過理論計算得出的壓力差，Pa；

v——流速，m/s；

ρ——密度，kg/m3，標準空氣密度取1.293；

ζ——局部阻力系數，取1.8。

計算得：ΔP1=60 Pa

4.2 煤氣柜呼吸系統的計算機模擬方法

4.2.1 模型設定

（1）模型簡介：

根據上述計算用基本數據，通過三維建模軟件建立模型，將三維模型導入到流體計算軟件中，并給定各種邊界條件等。由于煤氣柜具有高度對稱性，為減少計算量，選取了煤氣柜的1/18作為模型，并不會影響計算結果。主體采用計算精度高的六面體網格，在靠近柜頂通風氣樓和側板通風氣孔區域，使用了非常細密的網格。計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型

（2）各種邊界的設定：

計算模型中，將煤氣柜活塞板、側板、柜頂板等均假定為絕對剛體，不涉及流固耦合，流場中為平均風，即活塞板以勻速上行，同時忽略浮力、溫度等的影響。

4.2.2 模擬結果及分析

模擬計算的結果，主要關注柜內呼吸系統整個空間的壓力分布，空氣流通面的空氣流通速度、空間內氣體流動狀況、活塞板上所受空氣壓力大小等，見圖3～圖5。

方案主要參數：柜容為15萬m3，活塞上行速度5 m/min。

圖3 計算結果一：壓力場及速度流線

圖4 計算結果二：速度場及速度流線

圖5 計算結果三：壓力隨時間變化的曲線

計算結果形成方案如下：

關鍵條件：柜頂開孔：6.5 m；活塞速度：5 m/min；

空氣出口流速（通風氣樓）：11 m/s；

空氣出口流速（側板通風孔）：2 m/s；

活塞所受壓強：73 Pa；

活塞所受壓力：271 kN。

從上述數據可以看出，以15萬m3橡膠膜密封干式煤氣柜為例，當活塞以5 m/min的速度上升時，活塞板上的空氣側將對活塞板產生一定的壓力，這個壓力也就阻礙著活塞的繼續上升，本次模擬得出的阻力的結果為ΔP2=73 Pa，這也會造成煤氣柜柜內煤氣的壓力的波動，波動范圍為73/1800=4%。從以上分析可以得出，在模擬計算下，15萬m3橡膠膜密封干式煤氣柜在應對活塞高速上升的情況下的壓力波動并不大。

同時，在模擬環境下，柜內呼吸系統的空氣流動狀況比較規律，柜頂開孔6.5 m，活塞流速5 m/min的工況下，通風氣樓、側板通風孔處的空氣流動速度分別為11 m/s、2 m/s，側板通風孔處空氣流動較為平緩，通風氣樓處的流動稍微劇烈些，需在設計中引起關注。

4.3 現場實測情況

另外，為了能夠對以上兩種方法的計算結果進行驗證，本文還對已有工程進行了實際測量，選取的是遼寧某鋼廠的15萬m3橡膠膜密封干式煤氣柜的呼吸系統，其運行參數與上述計算的對象一致。

主要通過記錄不同區域的煤氣壓力來對壓力損失進行推算，選取的測量對象為：氣柜進口煤氣壓力，柜內煤氣壓力，氣柜出口煤氣壓力。在同一時間，記錄的三者的值分別為：1.88 kPa，1.79 kPa，1.72 kPa（此時氣柜處于第一級壓力，正在回收煤氣）。可以計算出氣柜進口煤氣壓力與柜內煤氣壓力差值為P3=1.88 kPa-1.79 kPa=0.09 kPa=90 Pa。

這個壓力差既包括了煤氣柜呼吸系統對活塞造成的阻力，也包括了煤氣通過柜前閥門、部分管道、進口處產生的局部阻力。

局部阻力簡單計算如下：

P3′=ζ×（v2÷2÷g）×（γ0+dc）×kv

式中：P3′——局部阻力，Pa；

ζ——局部阻力系數，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，取1.345。

帶入計算得：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對活塞造成的阻力：

ΔP3=P3-P3′=90 Pa-28.23 Pa=61.77 Pa

式中：P3——氣柜進口煤氣壓力與柜內煤氣壓力差值，Pa；

ΔP3——空氣系統阻力的實測值，Pa。

4.4 對比驗證（見表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