1 引言 隨著循環(huán)流化床鍋爐容量的進(jìn)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(jìn)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(jìn)入EHE的通道，而且能夠?qū)ρh(huán)灰流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)鍋爐負(fù)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(jìn)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(jìn)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(jī)械閥與L閥的聯(lián)合使用進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)、引風(fēng)機(jī)和流化風(fēng)機(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入，經(jīng)2區(qū)流向EHE，并通過調(diào)節(jié)流化風(fēng)量控制進(jìn)入EHE的物料量。進(jìn)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(yuǎn)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(jìn)料管來改變其直管段高度的方法，研究了進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)料管中即出現(xiàn)了上述氣、固嚴(yán)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(jìn)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(jìn)料管中出現(xiàn)嚴(yán)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(jìn)料管中的流動不暢，隨著一區(qū)流化數(shù)的增加，進(jìn)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(jìn)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(jìn)料管逆物料流動方向流向返料器，使進(jìn)料管中更易發(fā)生嚴(yán)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)料管中出現(xiàn)嚴(yán)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(jìn)料管中的彌散，氣、固分離現(xiàn)象消失，進(jìn)料管重新被物料充滿，但由于這時進(jìn)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(jìn)料管中發(fā)生嚴(yán)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(jìn)料管上不帶乙字彎
為了驗證進(jìn)料管直段高度對氣動閥控制特性的影響，將進(jìn)料管上部的乙字彎去掉，換成直管，使進(jìn)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(jìn)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(jìn)行進(jìn)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(jìn)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(jìn)料管上存在乙字彎，就會降低了進(jìn)料管直段高度，從而降低進(jìn)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(jìn)料管向上反竄，導(dǎo)致物料在進(jìn)料管中的流動不暢，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)料管直段能使物料穩(wěn)定地進(jìn)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(jìn)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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