干式稀油柜柜内压力波动对外部管网的影响分析

摘要：随着近些年国内钢铁行业的发展，煤气柜在钢铁厂的应用日趋广泛，干式煤气柜因其储气压力高、活塞速度快等特点已被更多人所接受。文章讨论了用于储存高炉煤气和焦炉煤气的干式稀油柜柜内压力波动情况，分析了其压力波动对外部管网产生的影响，可以此作为指导来合理确定干式稀油柜的储气压力。

关键词：干式稀油柜；柜内压力；压力波动；外部管网；煤气柜；钢铁厂 文献标识码：A

中图分类号：TQ547 文章编号：1009-2374（2015）22-0071-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.035

1 概述

随着近些年国内钢铁行业的发展，国内环保行业对钢铁厂能源排放要求在逐步提高，煤气柜在钢铁厂的应用日趋广泛，与此同时，煤气柜技术也得到了飞速发展。从煤气柜结构形式上划分，煤气柜柜型可分为湿式煤气柜和干式煤气柜，湿式煤气柜因结构形式的缺陷及环保要求的日趋提高，湿式煤气柜已趋于淘汰，而干式煤气柜因其储气压力高、活塞速度快等特点已被更多人所接受。本文主要讨论了用于储存高炉煤气和焦炉煤气的干式稀油柜柜内压力波动情况，以此为例分析了其柜内压力波动对外部管网产生的影响。

2 干式稀油柜柜内压力波动分析

煤气柜作为钢铁厂平衡管网压力的一个重要调节手段，当煤气发生量和消耗量波动时，主管网压力随之波动，如果煤气发生量大于消耗量，主管网压力升高，剩余煤气将自动进入煤气柜；如果煤气发生量小于消耗量，主管网压力降低，所缺煤气将自动由煤气柜补充。这样很容易给人们造成一种错觉：只要煤气柜处于在线运行状态，则外部煤气管网压力就会非常稳定。而实际上煤气外部管网压力是存在一定的压力波动，除去因煤气调度调整带来的压力波动外，还有因煤气柜自身因素带来的压力波动。因煤气柜柜内储存介质密度特性，导致其柜内存在压力梯度现象以及煤气柜活塞所处的运行状态，这两种情况均会造成干式稀油柜柜内压力波动，从而对外部管网压力波动产生影响。

2.1 干式稀油柜柜内压力梯度分析

干式稀油柜通常在活塞顶上和柜底侧板上设有压力检测点，对于高炉煤气柜和焦炉煤气柜而言，随着活塞上下运行，这两点所测的煤气压力的变化情况以及柜内压力梯度变化均有所不同。图1为干式稀油柜压力检测点布置图：

因煤气柜设有的压力表显示的压力为表压，根据已知公式PABS=Pg+B，可知：

活塞压力表处煤气绝对压力为：

PABS活塞=Pg活塞+B活塞 （1）

底部压力表处煤气绝对压力为：

PABS底部=Pg底部+B底部 （2）

式中：

PABS活塞—活塞煤气绝对压力，Pa

Pg活塞—活塞煤气表压，Pa

B活塞—活塞大气压力，Pa

PABS底部—底部煤气绝对压力，Pa

Pg底部—底部煤气表压，Pa

B底部—底部大气压力，Pa

又根据已知流体力学公式：P=P0+ρgh，可知：

底部压力表处煤气绝对压力为：

PABS底部=PABS活塞+ρ煤气gh （3）

底部压力表处空气绝对压力为：

B底部=B活塞+ρ空气gh （4）

式中：

ρ煤气为煤气密度，在忽略压力和温度变化的影响，煤气密度采取近似取值，高炉煤气密度约1.3kg/m3，焦炉煤气密度约0.45kg/m3

ρ空气—空气密度，约1.29kg/m3

g—重力加速度，约9.81N/kg

根据公式（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空气-ρ煤气）gh （5）

由此可知，当干式稀油柜活塞上下运行时，压力表检测出的柜内活塞部和底部煤气压力的压力差存在一定线性关系。根据压力的定义可知，煤气柜活塞部位的压力仅与煤气柜活塞及随活塞运行的附件总重量和煤气柜横截面积有关，即当煤气柜投入运行后，理论状态下煤气柜活塞部位的煤气检测压力值始终保持恒定，此压力与煤气柜储存何种介质无关。故式（5）体现的实际为煤气柜底部煤气压力随煤气柜活塞运行高度变化的波动趋势。

代入式（3）和式（4）中定义的煤气密度、空气密度及重力加速度，可知高炉煤气柜和焦炉煤气柜底部煤气压力随煤气柜活塞运行高度变化的波动趋势：

高炉煤气柜：Pg底部=Pg活塞+0.0981h （6）

焦炉煤气柜：Pg底部=Pg活塞-8.2404h （7）

图2为干式稀油柜分别储存高炉煤气和焦炉煤气时，以活塞部煤气检测压力作为基点，煤气柜底部检测压力随活塞运行高度变化的波动曲线图，此图亦为当活塞所处运行高度固定时煤气柜柜内沿高度方向的压力梯度曲线图。

图2 底部煤气压力随活塞运行高度变化的波动趋势图

因干式稀油柜与外部管网连通的煤气进出口管道设置在煤气柜底部，煤气底部的压力波动会直接影响到外部管网煤气压力波动。结合图2及以上情况可知：当干式稀油柜储存密度偏移空气密度较大的介质时，柜内压力梯度会较大，对外部管网压力波动的影响比较明显，如储存焦炉煤气时，外部管网压力波动高达80Pa/10m（压力/活塞高度）；而当储存密度偏移空气密度较小的介质时，柜内压力梯度会较小，对外部管网压力波动的影响不明显，如储存高炉煤气时，外部管网压力波动不到10Pa/10m（压力/活塞高度）。

2.2 干式稀油柜活塞运行状态分析

随着煤气的进出吞吐，干式稀油柜活塞处于上升或下降状态，此时干式稀油柜柜内压力随着活塞的上升或下降亦在不断波动。

图3为活塞处于静止状态时活塞受力情况，图4为活塞处于上升状态时活塞受力情况，图5为活塞处于下降状态时活塞受力情况。

根据图3～图5可分析活塞处于以上各工作状态下的受力情况：

活塞静止状态下： （8）

活塞上升状态下： （9）

活塞下降状态下： （10）

式中：

F—活塞静止状态下所受存储气体的正压力，N

F1—活塞上升过程中所受存储气体的正压力，N

F2—活塞下降过程中所受存储气体的正压力，N

G—活塞自身重力，N

f—活塞升降过程中所受摩擦力，N

对于干式稀油柜而言，活塞与柜体侧板之间的滑动是靠设置在活塞侧面的密封橡胶或钢滑板与侧板滑动，因施加在密封橡胶或钢滑板上的侧压力是固定的，所以无论活塞上升或下降，其所受摩擦力f为固定值。

由式（8）至式（10）可知，F1>F>F2，根据压力计算公式F=Pg活塞S（其中S为煤气柜横截面积），可知Pg活塞1>Pg活塞>Pg活塞2，即在煤气柜运行过程中，活塞处于上升状态时其活塞部位煤气压力最大，处于下降状态时其活塞部位煤气压力最小。根据目前国内煤气柜的建设水平及运行状况分析，因摩擦力带来的压力波动一般在100～200Pa之间。

结合柜内压力梯度分析情况可知，在干式稀油柜活塞处于上升状态时，因活塞部位煤气压力会有所提高，其运行状态能够减小焦炉煤气柜对外部管网的压力波动影响值，但能增大高炉煤气柜对外部管网的压力波动影响值；在干式稀油柜活塞处于下降状态时，其运行状态能够增加焦炉煤气柜对外部管网的压力波动影响值，但能减小高炉煤气柜对外部管网的压力波动影响值。

3 结语

本文以干式稀油柜分别存储焦炉煤气和高炉煤气为例，综合分析了柜内压力梯度和活塞运行状态综合影响下，干式稀油柜柜内压力波动对外部管网的影响，可知当储存介质密度偏移空气密度较小时（如高炉煤气），柜内压力波动对外部管网的影响比较小；当储存储存介质密度偏移空气密度较大时（如焦炉煤气），柜内压力波动对外部管网的影响比较大，尤其活塞高位运行时，柜内压力梯度和活塞所处运行状态所带来的柜内压力波动相叠加，会直接加剧外部管网的压力波动情况。因此在确定干式稀油柜储气压力时，需要充分考虑干式稀油柜柜内压力波动对外部管网的影响，需利用分析过程估算柜内压力波动值，并最终将其用于调整最终储气压力，以满足当煤气柜向外输送煤气时外部管网用户最低用气压力需求。

参考文献

[1] 刘纳新，卢燊.焦炉煤气柜内“浮力”问题及对策

[J].煤化工，2003，（6）.

作者简介：柳智（1983-），男，重庆赛迪热工环保工程技术有限公司工程师，硕士，研究方向：燃气专业设计及项目管理。

（责任编辑：秦逊玉）