隨著循環(huán)流化床鍋爐容量的進一步放大，以及在燃用一些特殊燃料中的應(yīng)用，爐膛內(nèi)燃燒換熱與鍋爐熱力分配之間矛盾更加突出，燃用會產(chǎn)生酸性氣體的燃料也會帶來金屬高溫腐蝕等問題，因此必須采用外置換熱器（EHE）來加以調(diào)節(jié)與協(xié)調(diào)。通過調(diào)節(jié)進入EHE的循環(huán)灰流量，可以調(diào)節(jié)爐膛溫度和工質(zhì)溫度。這就要求控制通過EHE循環(huán)灰量的裝置或方法有可靠的靈敏度，能夠穩(wěn)定地開啟或關(guān)閉進入EHE的通道，而且能夠?qū)ρh(huán)灰流量進行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)鍋爐負荷和燃料的變化及對運行參數(shù)控制的需要。

     在氣動控制閥，尤其是結(jié)構(gòu)研究方面，Knowltonl^[1]、鄭洽余^[2]、程世慶^[3]等人對L閥的直徑、彎角處的結(jié)構(gòu)、水平管段的長度和傾斜角度等結(jié)構(gòu)因素對L閥運行特性的影響進行了廣泛研究；李希光^[4]、牛長山^[15]等人給出了V閥的設(shè)計原則；王擎^[6]對U型返???器進行了外部充氣、結(jié)構(gòu)因素變化對運行特性影響的冷態(tài)試驗研究；高翔等^[7]、牛長山^[8]和楊和平等^[9]分別研究了流化床返料器和U閥的隔板對返料的影響。顧鋒等^[10]對機械閥與L閥的聯(lián)合使用進行了研究。

     本文作者在前人工作的基礎(chǔ)上^[11-14]，結(jié)合L閥及U閥特點提出了一種新的循環(huán)灰流量控制方法^[15]，即通過氣動控制閥控制進入外置換熱器的循環(huán)物料；并在已有工作的基礎(chǔ)上，對氣動控制閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對氣動控制特性的影響進行了冷態(tài)試驗研究。

      2 試驗裝置及試驗方法

      2.1試驗裝置

     圖1為試驗系統(tǒng)圖。試驗系統(tǒng)包括試驗臺本體、連接管路、鼓風(fēng)機、引風(fēng)機和流化風(fēng)機等。試驗臺本體由主床、旋風(fēng)分離器、返料器、氣動控制閥和外置換熱器組成。主床截面400mm×600mm，高6000mm。試驗臺本體為金屬制成，局部采用有機玻璃，以便觀察物料運動情況。

     由旋風(fēng)分離器分離下來的物料一部分通過返料器返回主床，另一部分從返料器立管分流出來，經(jīng)氣動控制閥進入外置換熱器后再返回主床。外置換熱器的回料管和返料器的回料管均有一段為豎直段，下部均安裝用于測量物料流率的蝶閥。外置換熱器回料管頂部與返料器出口管頂部連接平衡風(fēng)管，用以將在測量物料流率時物料循環(huán)所受到的影響降至*小。

     外置換熱器截面為400mm×400mm，高500mm,流化風(fēng)從底部風(fēng)室進入EHE。氣動控制閥和外置換熱器的連接示意圖見圖2。氣動控制閥分為1區(qū)和2區(qū)，分別通入流量可以調(diào)節(jié)的流化風(fēng)，使物料從1區(qū)進入，經(jīng)2區(qū)流向EHE，并通過調(diào)節(jié)流化風(fēng)量控制進入EHE的物料量。進料管內(nèi)徑為100mm，氣動閥1區(qū)高度和2區(qū)寬度也都為100mm。

     氣動控制閥1區(qū)與2區(qū)相通，1區(qū)控制風(fēng)基本都會經(jīng)2區(qū)流向EHE，2區(qū)控制風(fēng)則直接流向EHE。因此2區(qū)控制風(fēng)對1區(qū)的流化沒有影響；1區(qū)控制風(fēng)對2區(qū)的流化有影響，但是試驗中的大部分工況下，1區(qū)流化風(fēng)量都遠小于2區(qū)流化風(fēng)量，因此這種影響并不顯著。

     為了研究氣動控制閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對其控制特性的影響，試驗中在氣動控制閥出口的隔板高度H可變，本試驗采用了4種高度：0mm、100mm、150mm和300mm；氣動控制閥1區(qū)與2區(qū)之間可以安裝長100mm的延長段使氣動閥水平通道長度延長約兩倍，用以考察延長水平通道對氣動閥控制特性的影響；試驗中采用帶有和不帶有乙字彎的進料管來改變其直管段高度的方法，研究了進料管直段高度對控制特性的影響，見圖3。

      2.2試驗物料

     試驗中采用的物料為粒徑小于lmm的河砂，真實密度約2500kg/m3，堆積密度為1502kg/m3,平均粒度為0.261mm，大部分屬于GeldartB類粒子，通過試驗測得其臨界流化速度為0.09m/s。

     2.3 試驗方法

     為了研究氣動控制閥的控制特性，主要是研究氣動控制閥各股控制風(fēng)的控制特性，就需要控制每股控制風(fēng)風(fēng)速，并研究其變化對物料流率的影響。試驗中，保持其它控制風(fēng)風(fēng)速不變，改變其中一股控制風(fēng)的風(fēng)速，分別測量通過返料器返回主床和通過外置換熱器返回主床的物料量，從而得出該股控制風(fēng)的控制特性。

     用試驗物料的臨界流化速度將控制風(fēng)風(fēng)速無量綱化，得到一個無量綱數(shù)，即該股控制風(fēng)的流化數(shù)，用以判斷氣動控制閥內(nèi)部物料的流動狀態(tài)。1,2區(qū)的控制風(fēng)流化數(shù)分別記作N1,N2。

     在穩(wěn)定工況下，外置換熱器內(nèi)的存料量保持不變，即：通過氣動控制閥進入EHE的物料流率與經(jīng)EHE回料管返回主床的物料流率相等，因此在試驗中測量EHE回料管中的物料流率即可知通過氣動控制閥的物料流率。測量通過外置換熱器和返料器物料量的具體方法是：待試驗工況穩(wěn)定后，迅速關(guān)閉外置換熱器或返料器的回料管上的蝶閥，測量物料在蝶閥上堆積一定高度所用的時間，即可計算出通過外置換熱器或返料器的物料流率。通過EHE和通過返料器的物料流率之和為系統(tǒng)總循環(huán)流率。

     為了便于對比，將通過EHE的物料流率折算成EHE返料份額，即外置換熱器返料流率占總循環(huán)流率的百分比。

     試驗中，返料器的流化風(fēng)速維持設(shè)計值不變，以免干擾氣動控制閥控制特性的研究。

     考慮到循環(huán)流化床流動的瞬時不穩(wěn)定性，以及人工測量的誤差，試驗中對每一工況進行7次測量，取中間的5個值的平均值作為測量值。此外，試驗前期還對控制風(fēng)速由小變大和由大變小所得出的控制風(fēng)流化數(shù)—EHE返料份額曲線的重現(xiàn)性，以及重復(fù)同一組工況所得出的曲線的重現(xiàn)性進行了檢驗，檢驗結(jié)果表明重現(xiàn)性良好。

     3 確良試驗結(jié)果與分析

      3.1氣動閥出口隔板高度對控制特性的影響

     分別在氣動控制閥出口處安裝高度為0、l00mm、150mm和300mm的隔板，保持EHE流化風(fēng)流化數(shù)為4.44，在不同的氣動控制閥2區(qū)流化數(shù)下改變1區(qū)流化數(shù)，測量各工況下的EHE返料份額，考察這4種氣動控制閥結(jié)構(gòu)對EHE返料的控制特性的影響，并與未安裝隔板時的控制特性進行對比。

     圖4和圖5是氣動閥出口未安裝隔板時控制風(fēng)的控制特性。

     在氣動控制閥出口處安裝100mm高的隔板，這個高度與2區(qū)的高度相等。1區(qū)控制風(fēng)和2區(qū)控制風(fēng)的控制特性與未加隔板時類似（參見圖6）。

     將氣動閥出口的隔板更換為150mm高時，控制特性發(fā)生了較大的變化（參見圖7）。

     2區(qū)控制風(fēng)流化數(shù)為0,1區(qū)控制風(fēng)流化數(shù)一定時，進料管中發(fā)生了節(jié)涌，并且1區(qū)控制風(fēng)流化數(shù)增大至2.22的過程中，一個氣泡出現(xiàn)在進料管乙字彎附近，并逐漸長大，發(fā)生氣固分離現(xiàn)象，物料進入EHE不暢。但2區(qū)控制風(fēng)流化數(shù)為3.33和5.56時，從1區(qū)控制風(fēng)流化數(shù)增加至1.11左右時，進料管中即出現(xiàn)了上述氣、固嚴重分離的現(xiàn)象。

     對于帶300mm高隔板的氣動控制閥，2區(qū)流化數(shù)保持在3.33時，1區(qū)流化數(shù)增大至2.22,EHE進料管中出現(xiàn)節(jié)涌；2區(qū)流化數(shù)保持在5.56時，I區(qū)流化數(shù)增大至0.83, EHE進料管中出現(xiàn)嚴重節(jié)涌。

     測量結(jié)果顯示，EHE返料份額隨1區(qū)流化數(shù)的增大而增加，但1區(qū)流化數(shù)增大帶來了節(jié)涌（參見圖8）。

     節(jié)涌發(fā)生時，由于物料在進料管中的流動不暢，隨著一區(qū)流化數(shù)的增加，進入EHE的物料流率的增長明顯慢于未發(fā)生節(jié)涌時。將試驗結(jié)果整理成二區(qū)流化數(shù)—EHE返料份額的曲線（圖9），可以看到，由于發(fā)生節(jié)涌，二區(qū)控制風(fēng)對EHE返料份額的控制特性喪失了單調(diào)性。

    將上述對出口安裝了不同高度隔板的氣動控制閥在二區(qū)流化數(shù)為3.33下的控制特性進行對比可見，隨著一區(qū)流化數(shù)的增大，EHE返料份額趨于相近，增大至1.5之后，EHE的返料份額幾乎相同（參見圖10）。

     隨著隔板高度從0增加至150mm，氣動控制閥在二區(qū)流化數(shù)為3.33時的控制特性呈現(xiàn)越來越好的線性；而當(dāng)隔板高度繼續(xù)增加至300mm時，氣動控制閥幾乎完全喪失調(diào)節(jié)功能，變成開關(guān)閥，與U型返料器特性相同。出口隔板高度的增加使氣動控制閥控制特性由調(diào)節(jié)特性向開關(guān)特性轉(zhuǎn)變。

     此外，氣動控制閥出口隔板高度的增加，還使氣動閥控制風(fēng)流向外置換熱器、并從其出口管排出的阻力增大，控制風(fēng)越來越多地從氣動閥進料管逆物料流動方向流向返料器，使進料管中更易發(fā)生嚴重的氣固分離和節(jié)涌。

     3.2 1 區(qū)水平段延長的氣動控制閥控制特性

      3.2.1進料管上帶乙字彎

     為了研究延長1區(qū)水平通道給氣動閥控制特性帶來的影響，在1區(qū)原有的水平通道與2區(qū)間安裝100mm長的延長段，使1區(qū)水平通道長度與水平通道的通流特征尺寸100mm的比例達到1.5:1。因此將延長后的氣動控制閥1區(qū)劃分為3個子區(qū)域：進料管正下方對應(yīng)的圓形區(qū)域為1區(qū)A，水平通道延長段為1區(qū)C，這二者之間不規(guī)則區(qū)域為1區(qū)B；這3個子區(qū)域的控制風(fēng)分別定義為1區(qū)控制風(fēng)A、1區(qū)控制風(fēng)C和1區(qū)控制風(fēng)B。

     首先，考察1區(qū)控制風(fēng)C的控制特性。測量結(jié)果顯示，1區(qū)控制風(fēng)C具有一定的調(diào)節(jié)EHE返料份額的能力，且控制特性的線性較好，但控制范圍較小。

     其次，考察1區(qū)控制風(fēng)A在帶延長段的氣動閥中的控制特性。1區(qū)控制風(fēng)B與1區(qū)控制風(fēng)C流化數(shù)保持在0.56,2區(qū)流化數(shù)保持3.33不變，1區(qū)控制風(fēng)A流化數(shù)增大至1.67時，進料管中出現(xiàn)嚴重的氣、固分離；1區(qū)控制風(fēng)A流化數(shù)繼續(xù)增大至2.22時，由于物料在進料管中的彌散，氣、固分離現(xiàn)象消失，進料管重新被物料充滿，但由于這時進料管中的孔隙率比發(fā)生氣固分離前大得多，因此EHE返料份額有所下降。隨著一區(qū)控制風(fēng)B流化數(shù)與一區(qū)控制風(fēng)C流化數(shù)的增大，進料管中發(fā)生嚴重氣固分離時的一區(qū)控制風(fēng)A流化數(shù)越來越小。

     3.2.2 進料管上不帶乙字彎

     為了驗證進料管直段高度對氣動閥控制特性的影響，將進料管上部的乙字彎去掉，換成直管，使進料管直段高度由440mm增加至580mm,高徑比由4.4增加至5.8，再次測試帶l00mm延長段的氣動控制閥的控制特性。

     隨著1區(qū)流化數(shù)的增加，沒有觀察到進料管中移動床被破壞的現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)節(jié)涌現(xiàn)象。1區(qū)控制風(fēng)的控制特性呈現(xiàn)較好的線性，2區(qū)控制風(fēng)沒有明顯的控制作用。

     對1區(qū)控制風(fēng)進行進一步研究，使1區(qū)控制風(fēng)B和C保持同步變化，1區(qū)控制風(fēng)A單獨變化。在一定的1區(qū)B流化數(shù)和1區(qū)C流化數(shù)下，改變1區(qū)A流化數(shù)，可以得到1區(qū)控制風(fēng)A的控制特性以及1區(qū)控制風(fēng)B和C的控制特性（參見圖16和17）。測量結(jié)果顯示，這兩個控制特性都較好。在較大的1區(qū)A流化數(shù)下沒有發(fā)生節(jié)涌和竄氣，物料進入氣動閥始終很順暢。

     節(jié)涌和氣固分離現(xiàn)象的消失，歸因于該工況中所去掉了帶有傾斜管段的乙字彎：傾斜管中的氣體和固體傾向于分層流動，以至于氣泡沿傾斜管內(nèi)的上部開辟一條通道，而大量非流化固體顆粒占據(jù)底部，使得傾斜管內(nèi)的料柱在同樣的流化風(fēng)條件下，所能建立起來的壓頭要小于豎直管。

    當(dāng)水平通道較長，1區(qū)控制風(fēng)A經(jīng)2區(qū)流入EHE的阻力增大；如果此時進料管上存在乙字彎，就會降低了進料管直段高度，從而降低進料管料柱所建立的壓頭：當(dāng)1區(qū)控制風(fēng)A較大時，大量的流化風(fēng)就無法經(jīng)氣動閥2區(qū)流入EHE，而是沿阻力相對較低的進料管向上反竄，導(dǎo)致物料在進料管中的流動不暢，進入氣動閥的物料量減少，氣動閥的控制特性隨之變差。

     可見，保證進料管有足夠的直段高度，才能夠使物料具有足夠的驅(qū)動力，克服較長的水平通道帶來的阻力，使氣動控制閥具有良好的控制特性；因此應(yīng)當(dāng)盡量減少進料管上的傾斜管段和彎頭。

     4 結(jié)論

     （1）出口隔板高度的增加使氣動控制閥控制特性由調(diào)節(jié)特性向開關(guān)特性轉(zhuǎn)變。

     （2）較長的水平通道，須與足夠高的進料管直段相匹配，才能獲得良好的控制特性；否則，較長的水平通道可能導(dǎo)致控制失效。

     （3）足夠高的進料管直段能使物料穩(wěn)定地進入氣動控制閥，從而獲得良好的控制特性；應(yīng)當(dāng)盡量減少進料管上的傾斜管段和彎頭。

     （4）根據(jù)試驗結(jié)果，推薦的氣動控制閥結(jié)構(gòu)是：出口不設(shè)隔板，水平通道長度與通流特征尺寸之比為1.5:1以內(nèi)，??料管直段高度與管徑之比大于5:1

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