橡胶膜密封干式煤气柜呼吸系统模拟与分析

付重重，谭 辉，黄永红

（中冶南方工程技术有限公司，湖北武汉430223）

燃气

橡胶膜密封干式煤气柜呼吸系统模拟与分析

付重重，谭 辉，黄永红

（中冶南方工程技术有限公司，湖北武汉430223）

对橡胶膜密封干式煤气柜的呼吸系统做了介绍，应用数学计算和模拟计算、现场实测三种方法对煤气柜的呼吸系统做了分析，提出了验证煤气柜呼吸系统适应性的一种有效途径。

橡胶膜密封干式煤气柜；呼吸系统；模拟

1 概述

在钢铁企业的煤气回收系统中，煤气柜是一个极为重要的环节，起着输配煤气、稳压调峰的关键作用。橡胶膜密封型干式煤气柜是煤气柜中运用非常广泛的一种柜型，其结构简单，操作方便，应用成熟，安全可靠，建设及维护成本均较低，受到许多钢铁企业的青睐。但是，由于这种气柜本身具有直径大、活塞升降速度快、煤气回收方式为周期性等特点，这就导致了在这种气柜的大型化设计中，其活塞上部空间的空气排出、吸入系统需要加以重视，因为活塞上部的呼吸系统是否合理直接影响到气柜的运行效果。

本文对该型煤气柜的活塞上部空间的呼吸系统通过理论分析、数学计算、CAE模拟、现场实测几种方式加以剖析，并以这几种方法相互验证，确保了分析结果的准确性。从煤气柜呼吸系统的源头出发，对其进行了分析和探讨，提出了两种分析计算的方法，希望能够对煤气柜呼吸系统的设计有所裨益。

2 橡胶膜密封煤气柜及其呼吸系统简介

橡胶膜密封干式煤气柜的呼吸系统（见图1）是指煤气柜内活塞板上部、柜顶板下部与侧板之间的空间的空气排出、吸入系统。当煤气柜回收煤气时，煤气从进口管进入柜内，活塞上升，从而活塞上部空间的空气也从通风气楼以及侧板上的通风气孔排出柜外；当煤气柜输出煤气时，煤气从出口管送入外部管网，活塞下行，从而空气从通风气楼以及侧板上的通风气孔进入活塞上部空间，维持其呼吸系统的压力稳定。

图1 煤气柜呼吸系统示意图

3 橡胶膜密封干式煤气柜呼吸系统重要性的分析

橡胶膜密封干式煤气柜的呼吸系统需要引起工程人员的重视，主要是因为这种气柜与其他柜型煤气柜（主要包括曼型柜、新型柜和科隆柜等）相比，具有的两个特点。第一，这种柜型的煤气柜的外形属矮胖型，其高径比约为0.75左右，这就注定了这种气柜的大型化一定伴随着气柜直径的显著增大；第二，橡胶膜密封干式煤气柜还有着活塞升降速度高的特点，其允许的最大上升速度可达5 m/min。综合这两个原因可以知道，在橡胶膜密封干式煤气柜的运行中，其呼吸系统的空气流通量是十分巨大的（约110万m3/h），而其空气出入的途径仅有柜顶的通风气楼以及侧板上的通风气孔。如果设计不当的话，很有可能在煤气柜的运行中，由于呼吸系统空气流通不畅，导致压力累积，对煤气柜的运行压力造成一定的影响，在某些极端情况下，甚至有可能对煤气柜的密封部件或是活塞板、柜顶板、侧壁等造成结构性的损害，这都严重威胁着煤气柜的正常运行。

4 煤气柜呼吸系统分析计算方法

研究对象选取为15万m3橡胶膜密封干式煤气柜的呼吸系统，这也是国内该种柜型的最大容积，并且其在工程中的应用越来越广泛，具有典型的代表意义。针对此类课题的研究方法我们选取了理论研究和计算机模拟两种方法。

4.1 煤气柜呼吸系统的数学计算方法

活塞升降对柜体的影响：活塞升降速度最大达到5 m/min，柜体内活塞上部空间的空气排出和吸入量较大，因此不能忽略对气体压力对柜体的影响，同时需考虑气楼、通风孔的面积，防止阻力过大影响活塞运行，造成柜内煤气压力波动。

以常见的15万m3橡胶膜密封干式煤气柜为例，其计算用基础数据如下：

公称容积：150000 m3；

储存介质：转炉煤气；

柜体直径：68.6 m；

储存压力：第一级1800 Pa；第二级2500 Pa；

活塞最大运行速度：5 m/min；

入口煤气最高温度：73℃；

通风气楼主要尺寸：开孔直径：6.5 m；风帽直径：8.2 m；

侧板通风孔主要尺寸及数量：1#孔尺寸：0.04 m2，共144个；2#孔尺寸：0.03 m2，共36个。

4.1.1 计算通风面积

侧板通风孔面积：S1=m×a＋n×b

气楼开孔面积：S2=π×（d÷2）2

则气柜运行时活塞上部空气可出入的通道面积：S=S1+S2

其中：S1——侧板通风孔面积，m2；

S2——气楼开孔面积，m2；

S——气柜运行时活塞上部空气可出入的通道面积，m2；

a——侧板1#通风孔面积，取0.04 m2；

b——侧板2#通风孔面积，取0.03 m2；

m——侧板1#通风孔个数，取144；

n——侧板2#通风孔个数，取36；

d——通风气楼开孔直径，取6.5 m。

带入解得：S=40 m2

4.1.2 计算流量及风速

气柜运行时活塞上部空气的流量约为：

空气通过侧板通风孔及通风气楼时的速度：

其中：Q——气柜运行时活塞上部空气的流量，m3/s；

v0——活塞运行速度，取5 m/min；

D——煤气柜柜体内径，取68.6 m；

v′——空气通过侧板通风孔及通风气楼时的速度，m/s。

带入计算得：Q=308 m3/s；v′=7.7 m/s

4.1.3 压力损失

其中：ΔP1——通过理论计算得出的压力差，Pa；

v——流速，m/s；

ρ——密度，kg/m3，标准空气密度取1.293；

ζ——局部阻力系数，取1.8。

计算得：ΔP1=60 Pa

4.2 煤气柜呼吸系统的计算机模拟方法

4.2.1 模型设定

（1）模型简介：

根据上述计算用基本数据，通过三维建模软件建立模型，将三维模型导入到流体计算软件中，并给定各种边界条件等。由于煤气柜具有高度对称性，为减少计算量，选取了煤气柜的1/18作为模型，并不会影响计算结果。主体采用计算精度高的六面体网格，在靠近柜顶通风气楼和侧板通风气孔区域，使用了非常细密的网格。计算模型如图2所示。

图2 计算模型

（2）各种边界的设定：

计算模型中，将煤气柜活塞板、侧板、柜顶板等均假定为绝对刚体，不涉及流固耦合，流场中为平均风，即活塞板以匀速上行，同时忽略浮力、温度等的影响。

4.2.2 模拟结果及分析

模拟计算的结果，主要关注柜内呼吸系统整个空间的压力分布，空气流通面的空气流通速度、空间内气体流动状况、活塞板上所受空气压力大小等，见图3～图5。

方案主要参数：柜容为15万m3，活塞上行速度5 m/min。

图3 计算结果一：压力场及速度流线

图4 计算结果二：速度场及速度流线

图5 计算结果三：压力随时间变化的曲线

计算结果形成方案如下：

关键条件：柜顶开孔：6.5 m；活塞速度：5 m/min；

空气出口流速（通风气楼）：11 m/s；

空气出口流速（侧板通风孔）：2 m/s；

活塞所受压强：73 Pa；

活塞所受压力：271 kN。

从上述数据可以看出，以15万m3橡胶膜密封干式煤气柜为例，当活塞以5 m/min的速度上升时，活塞板上的空气侧将对活塞板产生一定的压力，这个压力也就阻碍着活塞的继续上升，本次模拟得出的阻力的结果为ΔP2=73 Pa，这也会造成煤气柜柜内煤气的压力的波动，波动范围为73/1800=4%。从以上分析可以得出，在模拟计算下，15万m3橡胶膜密封干式煤气柜在应对活塞高速上升的情况下的压力波动并不大。

同时，在模拟环境下，柜内呼吸系统的空气流动状况比较规律，柜顶开孔6.5 m，活塞流速5 m/min的工况下，通风气楼、侧板通风孔处的空气流动速度分别为11 m/s、2 m/s，侧板通风孔处空气流动较为平缓，通风气楼处的流动稍微剧烈些，需在设计中引起关注。

4.3 现场实测情况

另外，为了能够对以上两种方法的计算结果进行验证，本文还对已有工程进行了实际测量，选取的是辽宁某钢厂的15万m3橡胶膜密封干式煤气柜的呼吸系统，其运行参数与上述计算的对象一致。

主要通过记录不同区域的煤气压力来对压力损失进行推算，选取的测量对象为：气柜进口煤气压力，柜内煤气压力，气柜出口煤气压力。在同一时间，记录的三者的值分别为：1.88 kPa，1.79 kPa，1.72 kPa（此时气柜处于第一级压力，正在回收煤气）。可以计算出气柜进口煤气压力与柜内煤气压力差值为P3=1.88 kPa-1.79 kPa=0.09 kPa=90 Pa。

这个压力差既包括了煤气柜呼吸系统对活塞造成的阻力，也包括了煤气通过柜前阀门、部分管道、进口处产生的局部阻力。

局部阻力简单计算如下：

P3′=ζ×（v2÷2÷g）×（γ0+dc）×kv

式中：P3′——局部阻力，Pa；

ζ——局部阻力系数，取1.3；

v——煤气流速，取15 m/s；

g——重力加速度，取9.81 m/s2；

γ0——煤气密度，取1.293 kg/m3；dc——煤气含湿量，取0.115 kg/m3；

kv——体积校正系数，取1.345。

带入计算得：P3′=28.23 Pa

仪表记录的压力差减去局部阻力，即得到煤气柜呼吸系统对活塞造成的阻力：

ΔP3=P3-P3′=90 Pa-28.23 Pa=61.77 Pa

式中：P3——气柜进口煤气压力与柜内煤气压力差值，Pa；

ΔP3——空气系统阻力的实测值，Pa。

4.4 对比验证（见表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