钢铁厂煤气管网的模拟分析及其应用

冶金动力METALLURGICALPOWER2020年第1期总第239期冶金动力METALLURGICALPOWER2020年第1期总第239期笔者在前人理论研究基础上，基于水力学理论建立煤气管网运行计算模型，并以钢铁厂实际煤气管网建立仿真模型，针对生产过程中可能出现的各类工况进行模拟，为煤气管网的实际运行提供指导依据。1管网建模及求解按照煤气管道的流动特性，管道流动模型包括连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及气体状态方程，由于煤气管道温度变化很小，可不考虑能量方程。因此，模型方程如下：连续性方程：∂ρ∂τ+∂(ρv)∂x=0动量守恒方程：∂(ρv)∂τ+∂p∂x+λv22dρ=0（忽略高程变化和对流项）气体状态方程：p=zρRT式中，ρ——气体密度，kg/m3；τ——时间，s；v——气体速度，m/s；x——长度，m；p——气体压力，Pa；λ——管道水力摩阻系数；d——管道内径，m；g——重力加速度，m/s2；θ——管道与水平方向夹角，°；z——气体压缩因子；R——气体常数，J/（kg·K）；T——气体温度，K。煤气管道流动一般情况下都处于紊流状态，模型中管道摩擦系数的计算参照《城镇燃气设计规范》和钢厂管网实际运行数据综合考虑取值，λ=0.025~0.035。钢铁厂的煤气管网是由管道、阀门、设备等连接而成，根据图论法，通过节点关联矩阵A和环路矩阵B来描述管网的关联关系[5]，并按照管道流动动量守恒关系，可以把压力信息与管网连接关系信息进行关联，其关系式为：ìíîATp=ΔpBΔp=0式中，AT——节点关联矩阵转置；p——对应于压力基点的压差；Δp——管段压降列向量。采用C#编写计算程序，将上述管道流动数学模型方案按有限体积法一维交错网格将压力－速度耦合方程进行离散，将不同工况对应的边界条件代入离散方程组进行迭代求解。2应用案例与分析图1是国内某钢铁厂的高炉煤气管网系统图，表1为该厂高炉煤气系统煤气静态平衡表。笔者根据该管网的管道及设备数据建立煤气管网模拟分析模型，并按照煤气系统实际运行的数据为计算边界，分别对正常工况及一些特殊工况下煤气管网运行特性进行模拟分析。图1国内某钢铁厂高炉煤气管网系统图25冶金动力METALLURGICALPOWER2020年第1期总第239期表1煤气静态平衡表2.1正常工况下煤气柜运行状态模拟采用了该钢铁厂在正常生产工况下的各计算边界的实测数据进行模拟计算，其中煤气柜在对应计算工况下的吞吐情况及柜容变化情况如图2所示。图中在0值上下震荡的曲线表示煤气柜的吞吐煤气量，正值表示煤气进入气柜，负值表示气柜向管网补充煤气。图中连续变化的曲线是柜容随时间的变化情况，计算假设0时刻时柜容为0m3，从整个曲线可以看出柜容在计算工况下柜容的相对变化情况。图2正常工况下煤气柜的吞吐情况及柜容变化情况模拟计算时长为3h，过程中煤气柜柜容变化最大需求为3300m3左右，按此计算可以对正常工况下煤气柜柜容的操作空间进行定量估计。2.2高炉休风的工况模拟在正常生产的情况下假设出现高炉休风，依据操作规程高炉煤气发生量及高炉喷煤的用量在第5min左右减为0，热风炉在高炉休风后维持原用量1min，之后减为0。按上述工况设定边界模拟计算得到管网主要用户点的煤气压力变化情况，如图3所示。图3高炉休风时管网用户点压力变化情况从图3可以看出，由于高炉休风，各用户点的压力均迅速下降，多数用户在0.5min左右压力就降到5kPa以下，已无法满足实际生产的工艺需求。由于整个系统中仅有一座高炉，是系统中唯一的气源，所以建议在高炉休风前，部分用户先停机或者在高炉紧急休风时，部分用户随之紧急停机，以保障管网不出现失压。2.3高炉管道现象的模拟高炉出现管道现象，由于煤气温度升高，煤气体积增大约30%；同时煤气热值提高，用户用量将减少约31%。高炉管道现象的模拟假设0时刻开始发生管道现象，煤气柜在0时刻时柜容为0m3，发生管道现象后2min后放散塔开启。图4显示了发生高炉管道现象后煤气系统3min内煤气管网压力变化情况。从图中可以看出，发生管道现象后，系统各节点压力从11~12kPa迅速上升至14~16kPa，直到放散打开后又重新下降到之前的压力水平。整个过程中煤气柜柜容累计上升约13000m3，由于煤气柜的缓冲作用以及放散塔的及时开启，管网未出现超过压力安全限值的情况。图4高炉出现管道现象时管网压力的变化计算边界高炉热风炉高炉喷煤转底炉加压混合站球团厂自备电厂焦化厂30万煤气柜类型气源用户用户用户用户用户用户用户气柜平均煤气量/m3·h-180960028103025040236708687011120225510156360-（下转第29页）26冶金动力METALLURGICALPOWER2020年第1期总第239期峰时段发电，其产生的效益等于