1 引言 随着循环流化床锅炉容量的进一步放大，以及在燃用一些特殊燃料中的应用，炉膛内燃烧换热与锅炉热力分配之间矛盾更加突出，燃用会产生酸性气体的燃料也会带来金属高温腐蚀等问题，因此必须采用外置换热器（EHE）来加以调节与协调。通过调节进入EHE的循环灰流量，可以调节炉膛温度和工质温度。这就要求控制通过EHE循环灰量的装置或方法有可靠的灵敏度，能够稳定地开启或关闭进入EHE的通道，而且能够对循环灰流量进行调节，以适应锅炉负荷和燃料的变化及对运行参数控制的需要。
在气动控制阀，尤其是结构研究方面，Knowltonl[1]、郑洽余[2]、程世庆[3]等人对L阀的直径、弯角处的结构、水平管段的长度和倾斜角度等结构因素对L阀运行特性的影响进行了广泛研究；李希光[4]、牛长山[15]等人给出了V阀的设计原则；王擎[6]对U型返���器进行了外部充气、结构因素变化对运行特性影响的冷态试验研究；高翔等[7]、牛长山[8]和杨和平等[9]分别研究了流化床返料器和U阀的隔板对返料的影响。顾锋等[10]对机械阀与L阀的联合使用进行了研究。
本文作者在前人工作的基础上[11-14]，结合L阀及U阀特点提出了一种新的循环灰流量控制方法[15]，即通过气动控制阀控制进入外置换热器的循环物料；并在已有工作的基础上，对气动控制阀关键结构对气动控制特性的影响进行了冷态试验研究。
2 试验装置及试验方法
2.1试验装置
图1为试验系统图。试验系统包括试验台本体、连接管路、鼓风机、引风机和流化风机等。试验台本体由主床、旋风分离器、返料器、气动控制阀和外置换热器组成。主床截面400mm×600mm，高6000mm。试验台本体为金属制成，局部采用有机玻璃，以便观察物料运动情况。
由旋风分离器分离下来的物料一部分通过返料器返回主床，另一部分从返料器立管分流出来，经气动控制阀进入外置换热器后再返回主床。外置换热器的回料管和返料器的回料管均有一段为竖直段，下部均安装用于测量物料流率的蝶阀。外置换热器回料管顶部与返料器出口管顶部连接平衡风管，用以将在测量物料流率时物料循环所受到的影响降至*小。
外置换热器截面为400mm×400mm，高500mm,流化风从底部风室进入EHE。气动控制阀和外置换热器的连接示意图见图2。气动控制阀分为1区和2区，分别通入流量可以调节的流化风，使物料从1区进入，经2区流向EHE，并通过调节流化风量控制进入EHE的物料量。进料管内径为100mm，气动阀1区高度和2区宽度也都为100mm。
气动控制阀1区与2区相通，1区控制风基本都会经2区流向EHE，2区控制风则直接流向EHE。因此2区控制风对1区的流化没有影响；1区控制风对2区的流化有影响，但是试验中的大部分工况下，1区流化风量都远小于2区流化风量，因此这种影响并不显著。
为了研究气动控制阀关键结构对其控制特性的影响，试验中在气动控制阀出口的隔板高度H可变，本试验采用了4种高度：0mm、100mm、150mm和300mm；气动控制阀1区与2区之间可以安装长100mm的延长段使气动阀水平通道长度延长约两倍，用以考察延长水平通道对气动阀控制特性的影响；试验中采用带有和不带有乙字弯的进料管来改变其直管段高度的方法，研究了进料管直段高度对控制特性的影响，见图3。
2.2试验物料
试验中采用的物料为粒径小于lmm的河砂，真实密度约2500kg/m3，堆积密度为1502kg/m3,平均粒度为0.261mm，大部分属于GeldartB类粒子，通过试验测得其临界流化速度为0.09m/s。
2.3 试验方法
为了研究气动控制阀的控制特性，主要是研究气动控制阀各股控制风的控制特性，就需要控制每股控制风风速，并研究其变化对物料流率的影响。试验中，保持其它控制风风速不变，改变其中一股控制风的风速，分别测量通过返料器返回主床和通过外置换热器返回主床的物料量，从而得出该股控制风的控制特性。
用试验物料的临界流化速度将控制风风速无量纲化，得到一个无量纲数，即该股控制风的流化数，用以判断气动控制阀内部物料的流动状态。1,2区的控制风流化数分别记作N1,N2。
在稳定工况下，外置换热器内的存料量保持不变，即：通过气动控制阀进入EHE的物料流率与经EHE回料管返回主床的物料流率相等，因此在试验中测量EHE回料管中的物料流率即可知通过气动控制阀的物料流率。测量通过外置换热器和返料器物料量的具体方法是：待试验工况稳定后，迅速关闭外置换热器或返料器的回料管上的蝶阀，测量物料在蝶阀上堆积一定高度所用的时间，即可计算出通过外置换热器或返料器的物料流率。通过EHE和通过返料器的物料流率之和为系统总循环流率。
为了便于对比，将通过EHE的物料流率折算成EHE返料份额，即外置换热器返料流率占总循环流率的百分比。
试验中，返料器的流化风速维持设计值不变，以免干扰气动控制阀控制特性的研究。
考虑到循环流化床流动的瞬时不稳定性，以及人工测量的误差，试验中对每一工况进行7次测量，取中间的5个值的平均值作为测量值。此外，试验前期还对控制风速由小变大和由大变小所得出的控制风流化数—EHE返料份额曲线的重现性，以及重复同一组工况所得出的曲线的重现性进行了检验，检验结果表明重现性良好。
3 确良试验结果与分析
3.1气动阀出口隔板高度对控制特性的影响
分别在气动控制阀出口处安装高度为0、l00mm、150mm和300mm的隔板，保持EHE流化风流化数为4.44，在不同的气动控制阀2区流化数下改变1区流化数，测量各工况下的EHE返料份额，考察这4种气动控制阀结构对EHE返料的控制特性的影响，并与未安装隔板时的控制特性进行对比。
图4和图5是气动阀出口未安装隔板时控制风的控制特性。
在气动控制阀出口处安装100mm高的隔板，这个高度与2区的高度相等。1区控制风和2区控制风的控制特性与未加隔板时类似（参见图6）。
将气动阀出口的隔板更换为150mm高时，控制特性发生了较大的变化（参见图7）。
2区控制风流化数为0,1区控制风流化数一定时，进料管中发生了节涌，并且1区控制风流化数增大至2.22的过程中，一个气泡出现在进料管乙字弯附近，并逐渐长大，发生气固分离现象，物料进入EHE不畅。但2区控制风流化数为3.33和5.56时，从1区控制风流化数增加至1.11左右时，进料管中即出现了上述气、固严重分离的现象。
对于带300mm高隔板的气动控制阀，2区流化数保持在3.33时，1区流化数增大至2.22,EHE进料管中出现节涌；2区流化数保持在5.56时，I区流化数增大至0.83, EHE进料管中出现严重节涌。
测量结果显示，EHE返料份额随1区流化数的增大而增加，但1区流化数增大带来了节涌（参见图8）。
节涌发生时，由于物料在进料管中的流动不畅，随着一区流化数的增加，进入EHE的物料流率的增长明显慢于未发生节涌时。将试验结果整理成二区流化数—EHE返料份额的曲线（图9），可以看到，由于发生节涌，二区控制风对EHE返料份额的控制特性丧失了单调性。
将上述对出口安装了不同高度隔板的气动控制阀在二区流化数为3.33下的控制特性进行对比可见，随着一区流化数的增大，EHE返料份额趋于相近，增大至1.5之后，EHE的返料份额几乎相同（参见图10）。
随着隔板高度从0增加至150mm，气动控制阀在二区流化数为3.33时的控制特性呈现越来越好的线性；而当隔板高度继续增加至300mm时，气动控制阀几乎完全丧失调节功能，变成开关阀，与U型返料器特性相同。出口隔板高度的增加使气动控制阀控制特性由调节特性向开关特性转变。
此外，气动控制阀出口隔板高度的增加，还使气动阀控制风流向外置换热器、并从其出口管排出的阻力增大，控制风越来越多地从气动阀进料管逆物料流动方向流向返料器，使进料管中更易发生严重的气固分离和节涌。
3.2 1 区水平段延长的气动控制阀控制特性
3.2.1进料管上带乙字弯
为了研究延长1区水平通道给气动阀控制特性带来的影响，在1区原有的水平通道与2区间安装100mm长的延长段，使1区水平通道长度与水平通道的通流特征尺寸100mm的比例达到1.5:1。因此将延长后的气动控制阀1区划分为3个子区域：进料管正下方对应的圆形区域为1区A，水平通道延长段为1区C，这二者之间不规则区域为1区B；这3个子区域的控制风分别定义为1区控制风A、1区控制风C和1区控制风B。
首先，考察1区控制风C的控制特性。测量结果显示，1区控制风C具有一定的调节EHE返料份额的能力，且控制特性的线性较好，但控制范围较小。
其次，考察1区控制风A在带延长段的气动阀中的控制特性。1区控制风B与1区控制风C流化数保持在0.56,2区流化数保持3.33不变，1区控制风A流化数增大至1.67时，进料管中出现严重的气、固分离；1区控制风A流化数继续增大至2.22时，由于物料在进料管中的弥散，气、固分离现象消失，进料管重新被物料充满，但由于这时进料管中的孔隙率比发生气固分离前大得多，因此EHE返料份额有所下降。随着一区控制风B流化数与一区控制风C流化数的增大，进料管中发生严重气固分离时的一区控制风A流化数越来越小。
3.2.2 进料管上不带乙字弯
为了验证进料管直段高度对气动阀控制特性的影响，将进料管上部的乙字弯去掉，换成直管，使进料管直段高度由440mm增加至580mm,高径比由4.4增加至5.8，再次测试带l00mm延长段的气动控制阀的控制特性。
随着1区流化数的增加，没有观察到进料管中移动床被破坏的现象，也没有出现节涌现象。1区控制风的控制特性呈现较好的线性，2区控制风没有明显的控制作用。
对1区控制风进行进一步研究，使1区控制风B和C保持同步变化，1区控制风A单独变化。在一定的1区B流化数和1区C流化数下，改变1区A流化数，可以得到1区控制风A的控制特性以及1区控制风B和C的控制特性（参见图16和17）。测量结果显示，这两个控制特性都较好。在较大的1区A流化数下没有发生节涌和窜气，物料进入气动阀始终很顺畅。
节涌和气固分离现象的消失，归因于该工况中所去掉了带有倾斜管段的乙字弯：倾斜管中的气体和固体倾向于分层流动，以至于气泡沿倾斜管内的上部开辟一条通道，而大量非流化固体颗粒占据底部，使得倾斜管内的料柱在同样的流化风条件下，所能建立起来的压头要小于竖直管。
当水平通道较长，1区控制风A经2区流入EHE的阻力增大；如果此时进料管上存在乙字弯，就会降低了进料管直段高度，从而降低进料管料柱所建立的压头：当1区控制风A较大时，大量的流化风就无法经气动阀2区流入EHE，而是沿阻力相对较低的进料管向上反窜，导致物料在进料管中的流动不畅，进入气动阀的物料量减少，气动阀的控制特性随之变差。
可见，保证进料管有足够的直段高度，才能够使物料具有足够的驱动力，克服较长的水平通道带来的阻力，使气动控制阀具有良好的控制特性；因此应当尽量减少进料管上的倾斜管段和弯头。
4 结论
（1）出口隔板高度的增加使气动控制阀控制特性由调节特性向开关特性转变。
（2）较长的水平通道，须与足够高的进料管直段相匹配，才能获得良好的控制特性；否则，较长的水平通道可能导致控制失效。
（3）足够高的进料管直段能使物料稳定地进入气动控制阀，从而获得良好的控制特性；应当尽量减少进料管上的倾斜管段和弯头。
（4）根据试验结果，推荐的气动控制阀结构是：出口不设隔板，水平通道长度与通流特征尺寸之比为1.5:1以内，��料管直段高度与管径之比大于5:1
参考文献
[1]Knowlton T M ，Hirsan I. L-valve characterized for solids flow [J].Hydrocarbon Processing, 1978（57）： 149-156
[2]郑洽余，麻智文，王安波 L型阀内气固两相流体流动特性的研究[C].第六届国内流态化会议文集，武汉，1993： 467-472
[3]程世庆，路春美，邵延玲，等. L型阀内的气固流动[C].国内高等学校工程热物理学术会议论文集，大连。1994, 341-344
[4]李希光，刘大陆，刘菊花，等.气控流化型锥形溢流管[J].化学工程，1982（4）： 31-37
[5]牛长山. 循环流化床锅炉物料循环技术[J].东方锅炉，1990（3）：15-24
[6]王擎.循环流化床锅炉回料装置的试验,理论研究与设计[D]. 杭州：浙江大学，1999
[7]高翔，骆仲泱，程乐鸣，等流化床式返料装置的研究[C]， 中国工程热物学会第八届年会，北京,1992：V35-40
[8]牛长山，齐勇，光昕，等，循环床沸腾炉物料循环技术的试验研究[J].动力工程，1991, 11（4）： 31-37
[9]杨和平，刘焕彩，刘德昌，等快速循环流化床中回料装置的试验研究[C].中国工程热物理学会1987年燃烧学术会议论文集，北京，学术期刊出版社，1987
[10]顾锋，吕清刚，循环流化床物料循环冷态试验研究[J]. 锅炉技术，2003, 34（3）： 39-41
[11]王擎，孙健. 循环流化床锅炉循环回路流体流动过程动态模型[J].中国电机工程学报，1999, 19（12）： 31-35
[12]刘向军，徐旭常.循环流化床内稠密气固两相流动的数值模拟[J]. 中国电机工程学报，2003, 23（5）： 161-165
[13]王海刚，刘石，姜凡，等.旋风分离器料腿中颗粒流量电容相关测试分析与实验研究[J].中国电机工程学报,2004,24（2）：176-180
[14]曾庭华，池涌. 颗粒在异重流化床中的概率分布摸型[J].中国电机工程学报，1997, 17（4）：224-226
[15]高鸣，吕清刚，贺军. 循环流化床物料气动控制的试验研究[J].锅炉技术，2006. 37（l）：30-33