非对称结构气动分配阀调节特性冷态实验.pdf
第 3 8卷 第9期 2 0 1 0年 9月 化学工程 C H E MI C A L E N G I N E E R I N G C H I N A Vo 1 . 3 8 No . 9 Se p. 201 0 非对称结构气动分 配 阀调节特性冷态实验 许文波 r,李云玉 r ,朱建国 ,吕清刚 中国科学院 1 .工程热物理研究所 ;2 .研究生院,北京1 0 0 1 9 0 摘要 气动分配阀是在循环流化床双回路系统中使用的返料与分流装置, 其返料与分流的调节特性直接影响循环 流化床双回路系统的运行。通过冷态实验, 研究了气动分配阀的各控制风流量以及来料流率对调节特性的影响, 结果表 明 气动分配阀的调 节区域可 以划分为截止 区、 调节 区 、 近 饱和 区、 饱和 区, 这些 区域 的调节 特性不 同; 在调 节区, 通过凋节气动分配阀的控制风流量, 可改变双侧返料量的比例; 在低于单侧最大返料流率时, 各侧返料流率 随来料流率的增加而线性增加。 关键词 气动分配阀; 返料 ; 调节特性 中图分类号 T K 2 2 9 . 6 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 0 9 5 4 2 0 1 0 0 9 - 0 0 2 3 - 0 4 Co l d e x p e r i me n t o f r e g u l a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f pn e u ma t i c d i s t r i b u t i o n v a l v e wi t h a s y mme t r i c s t r u c t u r e X U We n . b o , L I Y u n . y u , Z H U J i a n . g u o , L t Q i n g - g a n g 1 .I n s t i t u t e o f E n g i n e e ri n g T h e r mo p h y s i c s ; 2 .G r a d u a t e U n i v e r s i t y , C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s ,B e i j i n g 1 0 0 1 9 0 ,C h i n a Ab s t r a c t A p n e u ma t i c d i s t ribu t i o n v a l v e wa s u s e d t o d i s t rib u t e r e c i r c u l a t i o n a s h i n a c i r c u l a t i n g f l u i d i z e d be d wi t h d u a l - l o o p .Th e s t a b i l i t y o f t he d u a l - l o o p wa s s t r o n g l y i n flu e nc e d b y t h e r e g u l a t i n g c ha r a c t e ris t i c s o f t h e p n e u ma t i c d i s t rib u t i o n v a l v e .Th e e f f e c t s o f t he a e r a t i o n a n d t he s o l i d s s u p p l y i n g fl o w r a t e i n s t a n d p i p e we r e i n v e s t i g a t e d o n a c o l d t e s t r i g .A c c o r d i n g t o t h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s , t h e r e g u l a t i n g r e g i o n w a s s u b d i v i d e d i n t o c u t - o ff p a r t , a d j u s t i n g p a r t , a p p r o x i m a t e s a t u r a t i o n p a rt a n d s a t u r a t i o n p a r t w i t h d i f f e r e n t c h a r a c t e ri s t i c s i n e a c h p a r t .I n t h e a d j u s t i n g p a r t ,t h e s o l i d s d i s t ri b u t i o n p r o p o r t i o n o f e a c h s i d e c a n b e c h a n g e d b y a d j u s t i n g t h e a e r a t i o n . T h e s o l i d s r e c i r c u l a t i n g r a t e o f e a c h s i d e i n c r e a s e s l i ne a r l y wi t h t h e i n c r e a s i n g o f t h e s o l i d s s u p p l y i n g r a t e i n s t a n dp i p e whe n i t i s l e s s t h a n t h e ma x i mu m s o l i d r e c i r c u l a t i n g r a t e o f s i n g l e - s i d e . Ke y wor d s p n e u ma t i c d i s t ribu t i o n v a l v e;s o l i d s r e c i r c u l a t i o n;r e g u l a t i n g c ha r a c t e ris t i c s 在 以循环流化床为核心的污泥干化焚烧一体化 系统 、 热电气多联供系统 等新工艺中, 从分离 器来的循环热灰一部分返回炉膛 , 一部分进人干化 器或气化炉中提供热量。在此过程中, 如何实现循 环物料的分配控 制是关键之一 。将 U型 阀返料特 性应用到双侧返料的气动分配阀中, 可以有效控制 循环物料的双侧分配 比例或循环流率 , 给上述新工 艺的进一步发展和应用带来促进作用。 中国科学院工程热物理研究所 已经对气动分配 阀进行了系列冷态调节特性实验_ 3 I 5 , 本文针对 二 侧返料流量相差很大 的需求 , 设计 了新 的气动分配 阀, 进行冷态实验 , 研究新的气动分配阀在相 同出口 压力下的双侧返料调节特性。 1实验 1 . 1 实验装置 实验装置由气动分配阀、 供风系统 、 给料系统及 收集系统组成 , 见图 1所示。 气动分配阀结构及尺寸见图 2 。 I, Ⅱ, Ⅲ和Ⅳ 区的横截面尺寸分别为 1 0 0 m m1 0 0 m m, 6 0 m m 1 0 0 mm, 4 0 m m1 0 0 m m, 4 0 m m1 0 0 mm; 水平孑 L 口2和 3的高度 , 分别为 1 0 0 , 4 0 m m。 作者简介 许文波 1 9 8 4 一 , 男, 硕士研究生, 从事循环流化床返料研究 ; 吕清刚, 博士生导师, 通讯联系人, 从事洁净煤利用技术与循环流 化床燃烧技术等领域的研究 , 电话 0 1 0 8 2 5 4 3 0 5 3 , E m a il q g l u ma i l . e t p . a c . c a 。 2 4 化学工程2 0 1 0年第 3 8卷第9期 气动 分配 Ql , 口 2 , , 口 4 一 I, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ区控制风流量 图 1 实验 系统 F i g . 1 Di a g r a m o f e x p e r i me n t a l s y s t e m 1 一 立管 ; 2, 3 - 水平孔 口; 4 , 5 - 返料管 ; 一 料位高度 A侧 水平孔 1 3高度 ; 一 B侧水平孔 口高度 图 2 气动分配阀 F i g . 2 P n e u ma t i c d i s t rib u ti o n v a l v e 1 . 2 物料 实验所用物料为粒径在 0 0 . 7 m m 的河砂 , 5 0 %切割粒径 d 。 为 0 . 2 2 mm, 实验获得 的循环物料 的临界流化速度 u 为 0 . 0 8 4 m / s 。 1 . 3 实验方法 分别测量 A侧和 B侧在单侧返料时的调节特 性 , 再测量 A侧和 B侧 同时返料时 的调节特性 , 以 及不同来料流率对 A侧和 B侧返料的影响, 研究控 制风流量对返料的影响。 送入气动分配阀 I, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ区的控制风流量 用量纲一流化数表示 N i Q A i- / u 1 式中 为 i 区流化数 ; 为 i 区控制风流量; A 为 i 区的横截面积 ; 1 , 2 , 3 , 4 , 分别对应I , Ⅱ , Ⅲ, Ⅳ区。 实验中, 各 区控制风流量采用质量流量控制器 控制。根据物料流动方向,I, Ⅱ区为 A侧上升段 、 下降段 , Ⅲ, Ⅳ区为 B侧下降段 、 上升段 。 返料流率采用计时称量法测 量。g , g g . b 分别为立管 、 A侧返料管 、 B侧返料管中的物料质量 流率。实验中通过改变环形调节挡板调节料位高度 与来料流率。 2 实验 结果 2 . 1 单侧返料调节特性 为掌握气动分配阀的最大返料能力 , 同时为双侧 返料调节特性实验提供参考, 首先测量了气动分配阀 在单侧返料时, 不同控制风流量下的 g .。和 q , 测量 时保持来料充足, 来料流量大于返料流量, 立管料位 h大于6 0 0 i n to, 防止控制风从立管反窜。分别固定上 升段流化数在 0 5时, 气动分配阀 q m和 随各侧 ,a q m , b 下降段流化数变化的调节特性见图 3 。 N、 a A 侧 b 1 B 侧 图 3 单侧返料时的调节特性 F i g . 3 Re g u l a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f s i n g l e s i d e p e rfo r ma n c e 当A侧单侧返料时, q ⋯的变化主要在Ⅳ 2 为0 1 之间, 当Ⅳ 2 1 后, Ⅳ 2 的变化对 ‰. 的影响明显减小; q m ,a 在Ⅳ 2 4处达到最大值, 5 0 o k g / s m , 此后继续增大 Ⅳ 2 , .。反而减小; 当 Ⅳ l 0时, g m. 在 Ⅳ ’ 3达到最大值。 B侧单侧返料时, q 的变化也主要在 Ⅳ 3 为 0 1 之间; q 在 Ⅳ 3为 2 _ _ 4之 间达到最大值 , 为 许文波等非对称结构气动分配阀调节特性冷态实验 2 5 6 0 0 k s/ s m。 , 且达到最大值后随着 Ⅳ 3 的增大保 持不变 Ⅳ 4 0除外 ; 当Ⅳ 4 0 时 , g 在 Ⅳ3 4达 到最大值 , 为 5 0 0 k g / s m 。 A侧和 B侧的尺寸不 同, 但是最大返料流率相 同, 控制风对返料流率的影响规律也相同。 2 . 2 双侧返料调节特性 根据循环流化床双回路系统工艺的要求 , 对气 动分配阀提出的控制原则是 q . 自平衡 尽量不调 节 g ⋯ , 人工调节 9 m . b 。为使 q . 自平衡 , 取 N 。 4, Ⅳ 2 2, 实验时设定来料流率为 6 0 0 k s / s i n , 调 节 Ⅳ 3 和 Ⅳ 4 , 测量 q m , a 和 g , 结果见图4 。 Ⅳ a 调节M N。 b 调 节Ⅳ d 图 4 调节 。 Ⅳ 4 对双侧返料的影响 F i g . 4 E ff e c t o f N3 , M O n s o l i d s r e c i r c u l a t i o n r a t e o f d u a l s i d e s 设定 Ⅳ 4 4, 调节 时的实验结果见 图 4 a 。 在 Ⅳ3 O , q m随着 Ⅳ 3的增加迅速增加 ; 当 Ⅳ 3 ,b 2后 , q m不变 , 由于此时立管 中的料位较低 , 控制风 流量 ,部b q 分从立管反窜。和单侧返料时 见 图 3 相比, Ⅳ 3 对 q 的影响规律相 同, q m ,b均在 Ⅳ 3 2处 达到 最 大 值 , 且 最 大 值 相 同; Ⅳ30 时, q 1 5 0 k g / s- m , 大于单侧返料时 q - b ; 由于来料流 率不变 , q m 随 的增大而减小 , 但影响不大。 ,a q m , b 设定 N 4 , Ⅳ 22 , Ⅳ 3 2, 调节 Ⅳ 4时 q ⋯ 和 q m , b 的实验结果见图4 b 。q m , b 随着 Ⅳ 4 的变化曲线 呈抛物线形状 随着 Ⅳ d的增大而增大 , 达到极值后 随着 Ⅳ 4的继续增大而减小。在实验中观察减小 的 原因为, 随着 Ⅳ 4 的增大, Ⅳ区压力增大 , 阻碍了物料 从Ⅲ区通过水平孔 口向Ⅳ区的输送 ; 和单侧返料相 比, Ⅳ 4 对 q m 的影响规律相 同, 均在 Ⅳ 4 3处达 ,b q m , b 到最大值, 最大值较小; Ⅳ 4 0时, q m略有降低; g . ,b 随 q 的增大而减小 , 但影响不大。 当调节 Ⅳ3 时 , q m 有明显 的调节区域和稳定 区 ,b 域, 调节区域的线性度好 , 调节灵敏 , 这 与文献 [ 7 ] 的结论一致 。当调节 Ⅳ 4 时, 调节区域 的 Ⅳ 4调节范 围比较大 , 但随着 Ⅳ 4的增大出现了非单调区, 这是 控制中不希望的。故采用调节上升段流化数 控 制为宜。 2 . 3 B侧控制风流量对返料流量 比例影响 循环流化床双 回路系统工艺对气动分配阀二侧 返料量分配要求是 , 保持 A侧返料流率 自平衡 , B侧 返料 流量 占来 料流量 的比例可在 0 _2 5 %之 间调 节。分别调节 Ⅳ1 , Ⅳ 4 , B侧返料流量 占来料流量 的 比例 r 见图 5 , 来料流率分别为 6 0 0 k s/ s m 和 3 0 0 K s/ s m 。 2 2 1 1 2 2 1 1 M a 调 节 Ⅳ 1 Na b 调 节Ⅳ 图5 调节 Ⅳ 3 , Ⅳ4 对 B侧返料流量比例的影响 F i g . 5 Eff e c t o fN3,N4 o n sol i d s r e c i r c u l a t i o n fl u x p r o p o r t i o n o f s i d e B 保持 N 4 , 2 , Ⅳ 4 4 , 调节 Ⅳ 3 , 当来料流 率 q m ,s 为 6 0 0 k s / s m 时, B侧返料流量占来料 流量 的比例 r 可在 7 % 4 %之间调节, Ⅳ 3 2后 比例基本不变 ; 当 g . 。 为 3 0 0 K s/ s m 时, r b 可在 3 %_2 4 %之间调节 ; 相 同控制风流量下 , 来料流率 不影响 r b 。 2 6 化学工程2 0 1 0年第 3 8卷第 9期 保持 N1 4 , Ⅳ 22 , Ⅳ 3 2, 调节 Ⅳ 4 , 当 g ⋯ 为 6 0 0 k g / sm 时 , r b在 1 0 %_2 4 % 之 间变 化, Ⅳ 4 3后 比例下降; 当 q m , s 为 3 0 0 k g / s m 时, B 侧物料分配 比例可在 3 % 5 %之间调节 , 且随着 Ⅳ 4的增加持续增大。 从图5 可见, 调节 和调节 Ⅳ 4 都可满足 r 的 要求 , 但表现出不同的调节特性 调节 Ⅳ1 时 , 有明显 的线性调节 区和稳定 区, 不受来料流率影响 ; 调节 Ⅳ 4 时, 无明显 的稳 定区域 , 受来料流率影 响大。故 调节 进行控制更合适 。 2 . 4 来料流率的影响 控制风流化数 Ⅳ1 , Ⅳ 2 , 均为 2, 取不同的流化 数 Ⅳ 4 时, 来料流率对气动分配阀双侧返料的影响见 图 6 。 ; // i - “ / / N l 2 ,N 2 2 ,G 2 / q m , s/ k g s m一 1 图6不同 Ⅳ d下来料流率对各侧 返料流率 的影响 Fi g . 6 E f f e c t o f M a n d s o l i d s s u p p l y i n g r a t e o n s o l i d s r e e i r c u l a t i o n r a t e o f e a c h s i d e 和图 3相 比, 双侧返料时, q ⋯ , q m最大值可达 ,b 8 0 0 k g / s m , 均 比单侧返料时大 , 说明双侧返料 时二侧有相互促进作用 ; g ⋯ 和 q m , b 均随着来料流率 的增大线性增加 , 受 Ⅳ 4 的影响不大。 2 . 5 控制风调节特性的区域划分 根据实验结果 , 当来料流率大于气动分配阀最 大返料流率时, 可以把返料流率随控制风的调节特 性划分为截止区、 调节区、 近饱和区、 饱和区。当来 料流率小于气动分配阀最大返料流率时 , 返料流率 随控制风的变化情况可相应划分为截止区、 调节区、 过渡区、 通流区。 当控制风运行在截止区时 , 无返料或者只有间 断微量返料 , 此时, 上升段有微小气泡从边壁流 出; 调节区是返料流率随着控制风流量变化比较明显的 区域 , 物料流化均匀 , 随着控制风流量 的增大, 返料 量增大 ; 近饱和区的返料流率变化缓慢 ; 当控制风运 行在饱和区时, 返料流率基本不变 , 上升段呈剧烈沸 腾状 , 下降段偶尔也有大气泡上窜。 根据实验结果 , 描绘 了 A, B二侧上升段、 下降 段控制风流化数对各区域 的影响图谱 , 给出了 3条 大致的分界线 , 见图7 。其 中, 在来料流率低于气动 分配阀的最大返料流率时 , 随着来料流率的减小 , 通 流区会逐渐向过渡区扩展 , 使得部分甚至整个过渡 区进 入通流 区 。 墼 0 1 2 3 4 5 上升段流化 数 图 7 不 同下降段和上升段流化数下的返料 区域划分 F i g . 7 R e g u l a t i n g r e g i o n s w i t h d i ffe r e n t f l u i d i z a t i o n n u mb e r 3结论 1 A侧和 B侧 的尺寸不同 , 但是最大返料 流 率相同, 控制风对返料流率的影响规律也相同。 2 在 A侧返料流率 自平衡 , 调节 B侧返料流 率 , 实现双侧返料的情况下, B侧返料流量 占来料流 量的比例可在 0 .2 5 %之间调节 , B侧上升段流化 数 的调节特性好于 B侧下降段流化数 的调 节特性 , 此时 B侧的返料调节特性和其单侧返料时 的调节特性相同。 3 在低 于单侧最大返料流率下 , 双侧返料流 率随来料流率的增加呈线性增加。 4 气动分配阀的控制区域可划分为截止区、 调 节区、 近饱和区、 饱和区, 这些区域的控制特性不同。 参考文献 [ 1 ] 吕清刚, 那永洁, 高鸣, 等. 一种带复合干燥器的循环 流 化 床 湿 污 泥 干 化 焚 烧 处 理 方 法中 国, 2 0 0 5 1 0 0 7 7 2 9 2 . 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[ 4 ] R U MP F B, K A MP S A P S , S I N G R, e t a 1 .S i m u l t ane o u s s o l u b i l i t y o f a mmo n i a a n d h y d r o g e n s u l fi d e i n w a t e r a t t e m p e r a t u r e s f r o m 3 1 3 K t o 3 9 3 K 『 J ] .F l u i d P h a s e E q u i l i b ri a , 1 9 9 9 , 1 5 8 6 9 2 3 - 9 3 2 . [ 5 ] F E N G Y a o s h e n g , X I E R o n g j i n , WU Z h a o l i ,V a por l i q u i d e qui l i b ri a f o r a m m o n i a 4 -m e t h a n o l [ J ] .C h e m E n g D a t a , 1 9 9 9 , 4 4 3 4 0 l 4 o 4 . [ 6 ] S C H F E R D, X I A J i a n z h o n g , V O G T M, e t a1. E x per i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o f the s o l u b i l i t y o f a mmo n i a i n me t h a n o l [ J ] .C h e m E n g D a t a , 2 0 0 7 , 5 2 5 1 6 5 3 1 6 5 9 . [ 7 ] I N O MA T A H i r o s h i , I K AWA N o b o r u ,A R A I K u n l o ,e t a 1 .Va po r l i qu i d e q u i l i b ri a for t h e a mmo n i a me t h an o l wa t e r s y s t e m [ J ] .C h e m E n g D a t a ,1 9 8 8 , 3 3 1 2 6 - 2 9 . 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