雙分離器并聯(lián)CFB系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

胡 南， 劉雪敏， 楊 石， 曹培慶， 白 楊， 呂俊復(fù)， 楊海瑞

（1．清華大學(xué) 熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；2．神華神東電力有限責(zé)任公司，神木719300）

循環(huán)流化床（CFB）燃燒技術(shù)是目前商業(yè)化程度最高的清潔煤燃燒技術(shù)［1］．大容量、高參數(shù)是CFB鍋爐發(fā)展的主流趨勢(shì)．隨著CFB鍋爐參數(shù)和單機(jī)容量的提高，受熱面總面積、爐膛截面積和爐膛高度均隨之增加，分離器處理的煙氣總量也相應(yīng)增加．由于分離器尺寸過大會(huì)直接影響分離器的分離效率，因此，對(duì)分離器尺寸的放大需要非常謹(jǐn)慎．目前可以被業(yè)界接受的最大直徑不超過11m．為保證分離效率，鍋爐制造商在鍋爐容量增大后不得不增加分離器的數(shù)目．因此，大容量CFB鍋爐均采用多分離器并聯(lián)的結(jié)構(gòu)．

隨著并聯(lián)分離器數(shù)目的增加，無論是單側(cè)布置還是兩側(cè)布置，都增加了獨(dú)立循環(huán)回路的數(shù)量．在多分離器并聯(lián)CFB鍋爐的實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)各循環(huán)回路間的溫度分布存在顯著差異．如在某臺(tái)雙分離器并聯(lián)的440t／h CFB鍋爐運(yùn)行過程中，左、右兩側(cè)爐膛和回路間的溫度分布存在較大的差異，尤其是在爐膛底部，溫度偏差達(dá)40K以上；在波蘭Turow電廠雙分離器對(duì)稱布置的235MW CFB鍋爐運(yùn)行過程中，左、右兩側(cè)爐膛出口附近和外循環(huán)回路間的溫度分布也存在較大的差別［2］；在寶麗華電廠三分離器并聯(lián)的300MW CFB鍋爐運(yùn)行過程中，3個(gè)外循環(huán)回路間的溫度分布差別很大，最高溫差達(dá)到70 K．可初步判斷這種回路間的溫度偏差是由于鍋爐內(nèi)氣（煙氣）固（循環(huán)物料）兩相流體在各回路間的分配不均勻造成的．Flour［3］通過數(shù)值計(jì)算的方法驗(yàn)證了氣固兩相流體在CFB系統(tǒng)各回路間分配不均是客觀存在的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象對(duì)CFB鍋爐運(yùn)行的安全性造成了嚴(yán)重的威脅．

Grace［4－5］對(duì) N 個(gè)完全相同分離器并聯(lián)的 CFB系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，指出系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的2個(gè)約束條件是各并聯(lián)分離器的壓降相等及氣體和固體的質(zhì)量守恒．對(duì)于2個(gè)或2個(gè)以上分離器并聯(lián)的CFB系統(tǒng)，Grace提出的約束條件方程組并不封閉，即氣固流體在各回路間分配均勻只是滿足條件的一種情況，并不是唯一的情況．但Grace的研究為多分離器并聯(lián)CFB系統(tǒng)的氣固偏流提供了一個(gè)理論依據(jù)．根據(jù)這一研究，滿足條件的回路間氣固流體分配可能會(huì)出現(xiàn)無窮多種情況，即偏流是隨機(jī)、連續(xù)的，這不符合實(shí)際情況．Grace還將最小能量原理［6－7］作為進(jìn)一步約束的條件，但并未給出具體的方法．

筆者在Grace和Mohammad的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合分離器氣固流動(dòng)的阻力特性，對(duì)雙分離器并聯(lián)CFB系統(tǒng)氣固流動(dòng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析．

1 分離器氣固流動(dòng)阻力特性

分離器是CFB系統(tǒng)中重要的組成部分，其作用是將固體顆粒從氣體中分離出來，并將分離出來的固體顆粒通過返料裝置送回提升管，形成正常連續(xù)的物料循環(huán)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行．分離器壓降是表征分離器性能的重要參數(shù)．在純氣體進(jìn)入分離器的情況下，分離器壓降與氣體流速的平方成正比，但在含塵情況下，分離器入口顆粒質(zhì)量濃度會(huì)影響分離器的壓降［9］．目前，對(duì)于入口顆粒質(zhì)量濃度對(duì)分離器壓降的影響這一問題還沒有達(dá)成共識(shí)［10］．

采用傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)測(cè)量法和比較快捷、簡(jiǎn)便的瞬態(tài)吹空法研究分離器入口顆粒質(zhì)量濃度與壓降的關(guān)系．實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由提升管、分離器、立管和返料閥等主要部分組成（見圖1）．床料為石英砂顆粒，其平均粒徑和密度分別為160μm和2 500kg／m3．

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig．1 Schematic diagram of the experimental setup

瞬態(tài)吹空法測(cè)量分離器壓降的具體操作步驟如下：在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，突然關(guān)閉返料風(fēng)機(jī)，循環(huán)物料無法回送入提升管，導(dǎo)致提升管內(nèi)的物料量逐漸減少，分離器入口的顆粒質(zhì)量濃度也會(huì)隨之降低，直至提升管內(nèi)物料全部被吹空．該方法可在線連續(xù)測(cè)量出某一風(fēng)速下分離器壓降隨入口顆粒質(zhì)量濃度的變化［11］，比傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)測(cè)量法更加快捷、簡(jiǎn)便．但由于分離器入口和循環(huán)流率測(cè)量點(diǎn)間有一定的距離，因此由循環(huán)流率計(jì)算出的分離器入口顆粒質(zhì)量濃度與實(shí)際的入口顆粒質(zhì)量濃度存在一個(gè)時(shí)間差，需要修正［12］．

圖2給出了流化風(fēng)速ug為4．1～6．0m／s的條件下穩(wěn)態(tài)測(cè)量法和瞬態(tài)吹空法得到的分離器壓降特性的對(duì)比，其中點(diǎn)代表穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的工況，線代表利用瞬態(tài)吹空法得到的壓降特性曲線．由圖2可以看出，穩(wěn)態(tài)測(cè)量法和瞬態(tài)吹空法得到的分離器壓降特性基本一致，從而驗(yàn)證了瞬態(tài)吹空法測(cè)量分離器壓降特性的可靠性．

圖2 穩(wěn)態(tài)測(cè)量法和瞬態(tài)吹空法得到的分離器壓降特性的對(duì)比Fig．2 Comparison of cyclone pressure drop between steady state and dynamic conditions

對(duì)于分離器壓降與入口顆粒質(zhì)量濃度間的非單調(diào)關(guān)系，Baskakov［13］認(rèn)為在低顆粒質(zhì)量濃度下，兩相流中固體顆粒質(zhì)量濃度升高實(shí)際上增大了顆粒與壁面撞擊的概率，導(dǎo)致氣固兩相流的動(dòng)量減小，湍流程度降低，分離器壓降降低；而在高顆粒質(zhì)量濃度下，壁面附近區(qū)域的顆粒聚集為條帶狀，顆粒與氣體之間的相互作用增大，分離器壓降升高．研究表明［14］，在高循環(huán)流率情況下，分離器壁面附近區(qū)域的顆粒會(huì)逐漸聚集形成帶狀的灰龍，這也驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)．

根據(jù)分離器壓降隨入口顆粒質(zhì)量濃度的非單調(diào)關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)即使在各分離器的壓降和入口氣體質(zhì)量流量相等的情況下，入口顆粒質(zhì)量濃度仍然可能會(huì)不同．

在開展社會(huì)保險(xiǎn)登記戶和稅務(wù)登記戶的戶籍對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)過程中，一些困難企業(yè)、破產(chǎn)企業(yè)和已注銷企業(yè)仍有職工繳交社會(huì)保險(xiǎn)費(fèi)，在社保戶籍中作為有效戶籍，而稅務(wù)機(jī)關(guān)在“金稅三期”系統(tǒng)已作非正常戶或注銷戶處理。同時(shí)，存在同一個(gè)單位有多個(gè)社保繳交戶名的情況，如機(jī)關(guān)單位有公務(wù)員、事業(yè)編、聘用人員3個(gè)戶名，企業(yè)有職工、退休及內(nèi)退職工2個(gè)戶名，必須把稅務(wù)戶籍進(jìn)行分拆才能滿足征收要求。由于戶籍定義的不同，稅務(wù)戶籍與社保戶籍無法對(duì)應(yīng)或一一關(guān)聯(lián)，戶籍管理難度加大。

2 分離器氣固阻力模型

目前有很多計(jì)算分離器壓降的表達(dá)式，但大多數(shù)計(jì)算公式為經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，且只能預(yù)測(cè)固體質(zhì)量流量很小的工況［15－16］．通過實(shí)驗(yàn)研究可知，分離器壓降先隨顆粒質(zhì)量濃度的升高而降低，當(dāng)顆粒質(zhì)量濃度升高為某一數(shù)值后，分離器壓降隨顆粒質(zhì)量濃度的升高而升高．傳統(tǒng)的分離器壓降關(guān)聯(lián)式并不能反映這種現(xiàn)象，而Chen等［17－18］提出的分離器壓降計(jì)算關(guān)聯(lián)式則考慮了分離器曳力的影響，可以反映出分離器壓降隨入口顆粒質(zhì)量濃度的升高先降低后升高的現(xiàn)象．因此，筆者采用Chen等提出的分離器壓降計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算．

采用該模型可計(jì)算出一定氣固質(zhì)量流量下分離器的壓降，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有相同的變化趨勢(shì)，但是由于實(shí)驗(yàn)中所選顆粒的物性和分離器材料的差異，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在整體偏差．采用該模型優(yōu)化的相關(guān)參數(shù)取值見表1．

表1 模型計(jì)算條件Tab．1 Model calculation conditions

在Chen的模型中，氣固混合物沿分離器邊壁的切向無量綱速度v′w為一關(guān)鍵未知參數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到［17］，將該公式重新擬合后得到

式中：vin為分離器入口氣體速度，m／s；vw為分離器邊壁處氣固混合物速度；ρi為分離器入口固體質(zhì)量濃度，kg／m3；ρg為氣體密度，kg／m3．

圖3給出了修正后的分離器壓降模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值的對(duì)比．由圖3可以看出，無論在數(shù)值上還是在變化趨勢(shì)上，修正模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果吻合較好．壓降與循環(huán)流率之間呈非線性關(guān)系．

圖3 分離器壓降模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的對(duì)比Fig．3 Comparison of cyclone pressure drop between calculated results and actual measurements

3 雙分離器并聯(lián)CFB系統(tǒng)流動(dòng)的穩(wěn)定性分析

借鑒Mohammad的研究方法，采用Chen的分離器壓降計(jì)算模型對(duì)雙分離器并聯(lián)CFB系統(tǒng)氣固流動(dòng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析．每個(gè)分離器的壓降Δp為

式中：C 和K 為常數(shù)；qm，g和qm，s分別為進(jìn)入分離器的氣體和固體質(zhì)量流量，kg／s；f為函數(shù)．

回路1和回路2的氣體質(zhì)量流量分別為

式中：qm，gt為氣體總質(zhì)量流量，kg／s；α 為偏離系數(shù)，若α＞0表示回路1中的氣體質(zhì)量流量較大，若α＜0則表示回路2中的氣體質(zhì)量流量較大．

左側(cè)回路的固體質(zhì)量流量分別為

式中：qm，st為固體總質(zhì)量流量，kg／s；Δqm，st表示固體偏流量，kg／s，若 Δqm，st＞0表示回路1中的固體質(zhì)量流量較大，若Δqm，st＜0則表示回路2中的固體質(zhì)量流量較大．

根據(jù)式（2），2個(gè)分離器的壓降分別為

根據(jù)Grace的理論［4］，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)2個(gè)分離器的壓降相等，則有

對(duì)Δp1的表達(dá)式進(jìn)行多項(xiàng)式變換并按照泰勒公式展開可得

將式（8）代入式（9）得

由于C＞0，Δp1最小的一個(gè)條件是α＝0．根據(jù)式（9）可知，當(dāng) Δqm，st＝0時(shí)，α＝0，即當(dāng)2個(gè)分離器的氣體和固體質(zhì)量流量分別相等時(shí)，2個(gè)分離器的壓降相等且具有最小值．

圖4給出了6．0m／s流化風(fēng)速下分離器壓降隨循環(huán)流率的變化．在一定計(jì)算范圍內(nèi)，同一分離器壓降對(duì)應(yīng)著2個(gè)不同的循環(huán)流率．對(duì)于雙分離器并聯(lián)CFB系統(tǒng)，在總風(fēng)量給定的條件下，若系統(tǒng)的平均固體質(zhì)量流量接近圖4虛線小框內(nèi)的數(shù)值，同一分離器的壓降就會(huì)對(duì)應(yīng)2個(gè)不同的固體質(zhì)量流量．此時(shí)，2個(gè)分離器的固體質(zhì)量流量可能會(huì)不相等，但壓降相等，系統(tǒng)處于穩(wěn)定的偏流狀態(tài)．

假設(shè)系統(tǒng)總固體循環(huán)量給定，此時(shí)2個(gè)分離器入口的固體質(zhì)量流量分別對(duì)應(yīng)A點(diǎn)和B點(diǎn)（見圖4），運(yùn)行壓降為p0，某一擾動(dòng)使2個(gè)分離器入口的固體質(zhì)量流量發(fā)生變化，若A點(diǎn)的入口固體質(zhì)量流量減小，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在變化過程中2個(gè)分離器的固體總質(zhì)量流量不變，B點(diǎn)的入口固體質(zhì)量流量將增大，分離器壓降降低．根據(jù)Grace的研究［4］，只有2個(gè)分離器壓降相等時(shí)系統(tǒng)才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)．由式（11）可知，只有2個(gè)分離器的固體質(zhì)量流量相等，即2個(gè)分離器的固體質(zhì)量流量均在C點(diǎn)時(shí)才滿足分離器壓降相等的條件，系統(tǒng)才能穩(wěn)定運(yùn)行且壓降最低．當(dāng)2個(gè)分離器的壓降維持在p0時(shí)，由于此壓降高于C點(diǎn)的壓降，系統(tǒng)處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，一旦受到外界擾動(dòng)［4］，則2個(gè)分離器的壓降有可能分別在A、B兩點(diǎn)之間擺動(dòng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到破壞．

圖4 分離器壓降隨循環(huán)流率的變化Fig．4 Relationship between cyclone pressure drop and solid circulating rate

4 結(jié) 論

（1）分離器壓降隨入口固體質(zhì)量流量的變化呈非單調(diào)的變化趨勢(shì)．隨著入口固體質(zhì)量流量的增大，分離器壓降先快速降低后緩慢升高．

（2）以Chen提出的分離器壓降模型為基礎(chǔ)的修正模型可以較好地反映出分離器氣固阻力的非單調(diào)特性，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合較好．

（3）當(dāng)氣體和固體質(zhì)量流量在2個(gè)分離器內(nèi)均勻分配時(shí)，2個(gè)分離器的壓降最低，CFB系統(tǒng)內(nèi)的氣固流動(dòng)滿足最小能量原理．

（4）當(dāng)系統(tǒng)分離器壓降和循環(huán)流率均在偏流區(qū)域時(shí)，雙分離器并聯(lián)CFB系統(tǒng)處于穩(wěn)定的偏流運(yùn)行狀態(tài)．

（5）不同結(jié)構(gòu)的分離器具有不同的壓降阻力特性曲線，但是對(duì)于某些分離器，不會(huì)出現(xiàn)相同壓降對(duì)應(yīng)著2個(gè)不同循環(huán)流率的情況，即不會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定偏流的情況．

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