1 引言 隨著循環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用，爐膛內燃燒換熱與鍋爐熱力分配之間矛盾更加突出，燃用會產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）來加以調節與協調。通過調節進入EHE的循環灰流量，可以調節爐膛溫度和工質溫度。這就要求控制通過EHE循環灰量的裝置或方法有可靠的靈敏度，能夠穩定地開啟或關閉進入EHE的通道，而且能夠對循環灰流量進行調節，以適應鍋爐負荷和燃料的變化及對運行參數控制的需要。
在氣動控制閥，尤其是結構研究方面，Knowltonl[1]、鄭洽余[2]、程世慶[3]等人對L閥的直徑、彎角處的結構、水平管段的長度和傾斜角度等結構因素對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閥的設計原則；王擎[6]對U型???料器進行了外部充氣、結構因素變化對運行特性影響的冷態試驗研究；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閥的聯合使用進行了研究。
本文作者在前人工作的基礎上[11-14]，結合L閥及U閥特點提出了一種新的循環灰流量控制方法[15]，即通過氣動控制閥控制進入外置換熱器的循環物料；并在已有工作的基礎上，對氣動控制閥關鍵結構對氣動控制特性的影響進行了冷態試驗研究。
2 試驗裝置及試驗方法
2.1試驗裝置
圖1為試驗系統圖。試驗系統包括試驗臺本體、連接管路、鼓風機、引風機和流化風機等。試驗臺本體由主床、旋風分離器、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管，用以將在測量物料流率時物料循環所受到的影響降至*小。
外置換熱器截面為400mm×400mm，高500mm,流化風從底部風室進入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區和2區，分別通入流量可以調節的流化風，使物料從1區進入，經2區流向EHE，并通過調節流化風量控制進入EHE的物料量。進料管內徑為100mm，氣動閥1區高度和2區寬度也都為100mm。
氣動控制閥1區與2區相通，1區控制風基本都會經2區流向EHE，2區控制風則直接流向EHE。因此2區控制風對1區的流化沒有影響；1區控制風對2區的流化有影響，但是試驗中的大部分工況下，1區流化風量都遠小于2區流化風量，因此這種影響并不顯著。
為了研究氣動控制閥關鍵結構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區與2區之間可以安裝長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的控制特性，就需要控制每股控制風風速，并研究其變化對物料流率的影響。試驗中，保持其它控制風風速不變，改變其中一股控制風的風速，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的控制特性。
用試驗物料的臨界流化速度將控制風風速無量綱化，得到一個無量綱數，即該股控制風的流化數，用以判斷氣動控制閥內部物料的流動狀態。1,2區的控制風流化數分別記作N1,N2。
在穩定工況下，外置換熱器內的存料量保持不變，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：待試驗工況穩定后，迅速關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總循環流率。
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流率的百分比。
試驗中，返料器的流化風速維持設計值不變，以免干擾氣動控制閥控制特性的研究。
考慮到循環流化床流動的瞬時不穩定性，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速由小變大和由大變小所得出的控制風流化數—EHE返料份額曲線的重現性，以及重復同一組工況所得出的曲線的重現性進行了檢驗，檢驗結果表明重現性良好。
3 確良試驗結果與分析
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流化風流化數為4.44，在不同的氣動控制閥2區流化數下改變1區流化數，測量各工況下的EHE返料份額，考察這4種氣動控制閥結構對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區的高度相等。1區控制風和2區控制風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，控制特性發生了較大的變化（參見圖7）。
2區控制風流化數為0,1區控制風流化數一定時，進料管中發生了節涌，并且1區控制風流化數增大至2.22的過程中，一個氣泡出現在進料管乙字彎附近，并逐漸長大，發生氣固分離現象，物料進入EHE不暢。但2區控制風流化數為3.33和5.56時，從1區控制風流化數增加至1.11左右時，進料管中即出現了上述氣、固嚴重分離的現象。
對于帶300mm高隔板的氣動控制閥，2區流化數保持在3.33時，1區流化數增大至2.22,EHE進料管中出現節涌；2區流化數保持在5.56時，I區流化數增大至0.83, EHE進料管中出現嚴重節涌。
測量結果顯示，EHE返料份額隨1區流化數的增大而增加，但1區流化數增大帶來了節涌（參見圖8）。
節涌發生時，由于物料在進料管中的流動不暢，隨著一區流化數的增加，進入EHE的物料流率的增長明顯慢于未發生節涌時。將試驗結果整理成二區流化數—EHE返料份額的曲線（圖9），可以看到，由于發生節涌，二區控制風對EHE返料份額的控制特性喪失了單調性。
將上述對出口安裝了不同高度隔板的氣動控制閥在二區流化數為3.33下的控制特性進行對比可見，隨著一區流化數的增大，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，氣動控制閥在二區流化數為3.33時的控制特性呈現越來越好的線性；而當隔板高度繼續增加至300mm時，氣動控制閥幾乎完全喪失調節功能，變成開關閥，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節特性向開關特性轉變。
此外，氣動控制閥出口隔板高度的增加，還使氣動閥控制風流向外置換熱器、并從其出口管排出的阻力增大，控制風越來越多地從氣動閥進料管逆物料流動方向流向返料器，使進料管中更易發生嚴重的氣固分離和節涌。
3.2 1 區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區水平通道給氣動閥控制特性帶來的影響，在1區原有的水平通道與2區間安裝100mm長的延長段，使1區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區劃分為3個子區域：進料管正下方對應的圓形區域為1區A，水平通道延長段為1區C，這二者之間不規則區域為1區B；這3個子區域的控制風分別定義為1區控制風A、1區控制風C和1區控制風B。
首先，考察1區控制風C的控制特性。測量結果顯示，1區控制風C具有一定的調節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區控制風A在帶延長段的氣動閥中的控制特性。1區控制風B與1區控制風C流化數保持在0.56,2區流化數保持3.33不變，1區控制風A流化數增大至1.67時，進料管中出現嚴重的氣、固分離；1區控制風A流化數繼續增大至2.22時，由于物料在進料管中的彌散，氣、固分離現象消失，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生氣固分離前大得多，因此EHE返料份額有所下降。隨著一區控制風B流化數與一區控制風C流化數的增大，進料管中發生嚴重氣固分離時的一區控制風A流化數越來越小。
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區流化數的增加，沒有觀察到進料管中移動床被破壞的現象，也沒有出現節涌現象。1區控制風的控制特性呈現較好的線性，2區控制風沒有明顯的控制作用。
對1區控制風進行進一步研究，使1區控制風B和C保持同步變化，1區控制風A單獨變化。在一定的1區B流化數和1區C流化數下，改變1區A流化數，可以得到1區控制風A的控制特性以及1區控制風B和C的控制特性（參見圖16和17）。測量結果顯示，這兩個控制特性都較好。在較大的1區A流化數下沒有發生節涌和竄氣，物料進入氣動閥始終很順暢。
節涌和氣固分離現象的消失，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的上部開辟一條通道，而大量非流化固體顆粒占據底部，使得傾斜管內的料柱在同樣的流化風條件下，所能建立起來的壓頭要小于豎直管。
當水平通道較長，1區控制風A經2區流入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1區控制風A較大時，大量的流化風就無法經氣動閥2區流入EHE，而是沿阻力相對較低的進料管向上反竄，導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；因此應當盡量減少進料管上的傾斜管段和彎頭。
4 結論
（1）出口隔板高度的增加使氣動控制閥控制特性由調節特性向開關特性轉變。
（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致控制失效。
（3）足夠高的進料管直段能使物料穩定地進入氣動控制閥，從而獲得良好的控制特性；應當盡量減少進料管上的傾斜管段和彎頭。
（4）根據試驗結果，推薦的氣動控制閥結構是：出口不設隔板，水平通道長度與通流特征尺寸之比為1.5:1以內??進料管直段高度與管徑之比大于5:1
參考文獻
[1]Knowlton T M ，Hirsan I. L-valve characterized for solids flow [J].Hydrocarbon Processing, 1978（57）： 149-156
[2]鄭洽余，麻智文，王安波 L型閥內氣固兩相流體流動特性的研究[C].第六屆國內流態化會議文集，武漢，1993： 467-472
[3]程世慶，路春美，邵延玲，等. L型閥內的氣固流動[C].國內高等學校工程熱物理學術會議論文集，大連。1994, 341-344
[4]李希光，劉大陸，劉菊花，等.氣控流化型錐形溢流管[J].化學工程，1982（4）： 31-37
[5]牛長山. 循環流化床鍋爐物料循環技術[J].東方鍋爐，1990（3）：15-24
[6]王擎.循環流化床鍋爐回料裝置的試驗,理論研究與設計[D]. 杭州：浙江大學，1999
[7]高翔，駱仲泱，程樂鳴，等流化床式返料裝置的研究[C]， 中國工程熱物學會第八屆年會，北京,1992：V35-40
[8]牛長山，齊勇，光昕，等，循環床沸騰爐物料循環技術的試驗研究[J].動力工程，1991, 11（4）： 31-37
[9]楊和平，劉煥彩，劉德昌，等快速循環流化床中回料裝置的試驗研究[C].中國工程熱物理學會1987年燃燒學術會議論文集，北京，學術期刊出版社，1987
[10]顧鋒，呂清剛，循環流化床物料循環冷態試驗研究[J]. 鍋爐技術，2003, 34（3）： 39-41
[11]王擎，孫健. 循環流化床鍋爐循環回路流體流動過程動態模型[J].中國電機工程學報，1999, 19（12）： 31-35
[12]劉向軍，徐旭常.循環流化床內稠密氣固兩相流動的數值模擬[J]. 中國電機工程學報，2003, 23（5）： 161-165
[13]王海剛，劉石，姜凡，等.旋風分離器料腿中顆粒流量電容相關測試分析與實驗研究[J].中國電機工程學報,2004,24（2）：176-180
[14]曾庭華，池涌. 顆粒在異重流化床中的概率分布摸型[J].中國電機工程學報，1997, 17（4）：224-226
[15]高鳴，呂清剛，賀軍. 循環流化床物料氣動控制的試驗研究[J].鍋爐技術，2006. 37（l）：30-33