PDF《双支腿流化床颗粒交换的压力信号分析》

第31 卷第35 期中国电机工程学报Vol.

31 No.35 Dec.15,

2011 2011 年12 月15 日Proceedings of the CSEE ?2011 Chin.Soc.for Elec.Eng.

97 文章编号:0258-8013 (2011) 35-0097-06 中图分类号:TK

01 文献标志码:A 学科分类号:470?20 双支腿流化床颗粒交换的压力信号分析 杨春振,段钰锋,胡海韬 (东南大学能源与环境学院,江苏省 南京市 210096) Analysis of Pressure Fluctuation of Particles Exchange in Double-leg Fluidized Bed YANG Chunzhen, DUAN Yufeng, HU Haitao (School of Energy &

Environment, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: For the purpose of investigating particle mixing between double-leg fluidized beds (DL-FB), Experiments were carried out in a cold and visualized model with dimensions of 240mm in width, 20mm in depth and 800mm in height using glass beads with diameter of 0.9~1 mm as bed material. The pressure differential fluctuations were acquired by the data acquisition system and analyzed by power spectral density (PSD) and Shannon entropy. Influences of fluidization velocity and bed inventory on behavior and stability of the particles exchange were investigated. Results indicate that cluster (first peak) and single particle (second peak) are two main forms of particles exchange between the two pant legs. The proportion of each form is subequal as a result of the increase of fluidization velocity. The behavior of particles exchange is intensified by the increase of bed inventory. When the fluidization velocity and bed inventory add, the two dominant frequencies move closer to each other. The stability of particles exchange is strengthened first and then weakened with increasing of the fluidization velocity. KEY WORDS: double-leg;

fluidized bed;

power spectral density;

Shannon entropy;

particles exchange 摘要: 为研究双支腿流化床支腿间颗粒交换特性, 采用粒径 为0.9~1 mm 的玻璃珠为床料,在尺寸为

240 mm*20 mm*

800 mm 的二维有机玻璃可视化双支腿流化床内,采集差压 脉动信号对床内差压进行了功率谱密度及香农熵的分析, 研 究了颗粒在支腿间的质量交换、 流化风速和床存量对颗粒交 换的影响, 以及颗粒交换行为的稳定性规律. 研究结果表明, 支腿间颗粒交换方式以颗粒团簇和单颗粒为主, 分别对应第 一主频和第二主频. 流化风速的增加使

2 种颗粒交换方式所 占的比重趋于相等, 床存量的增加会加剧颗粒在支腿间的质 基金项目:国家科技支撑计划项目资助(2006BAA03B01-08). Funded by the National Science and Technology Support Program of China (2006BAA03B01-08). 量交换. 流化风速和床存量的增加使两主频相互靠近. 颗粒 交换行为的稳定性和确定性随着气速的增加先增强后逐渐 减弱. 关键词:双支腿;

流化床;

功率谱密度;

香农熵;

颗粒交换

0 引言 随着大容量循环流化床机组的发展,炉膛主体 的截面越来越大[1-3] ,如300 MW 循环流化床 (circulating fluidized bed,CFB)[2] 机组尺寸达到 15.051m*15.225m、 600MW 超临界 CFB[3] 机组设计 尺寸达到 15m*28m. 如此大的床截面使得二次风无 法穿透床层至炉膛中心区,造成炉膛中心处严重缺 氧,影响炉内的燃烧效率.Alstom 首次在

300 MW 超临界循环流化床机组中采用了双支腿结构,即炉 膛底部由

2 个支腿组成,缩短了底部炉膛宽度,使 得二次风能够穿透床层到达炉膛的中心.因此双支 腿流化床结构成为目前超临界循环流化床锅炉大 型化发展的一种重要设计方案[1-4] . 此外双支腿结构 在解决大型布风板布风均匀性方面也具有优势,但 这种结构容易引起 翻床 现象[4-5] :双支腿循环流 化床(double-leg circulating fluidized bed,DL-CFB) 锅炉在运行过程中,假如两支腿之间出现较大的床 压差,会使炉内大部分床料在短时间内聚集在一个 支腿内,而另一支腿几乎没有床料,使得一侧支腿 内床压急剧升高而塌床.Li 等[4] 在床中心中隔墙上 有通孔的冷态实验装置上进行实验,分析认为通孔 两侧气体的压差引起的物料横向流动是导致 翻床 的根本原因;

李前宇等[5] 通过对工业生产中 Alstom300 MW 循环流化床锅炉两侧支腿一次风系 统阻力进行分析,认为马鞍型床料压降特性曲线是 导致 翻床 的根本原因.目前大多数文献都是针

98 中国电机工程学报第31 卷 对电厂实际运行中遇到的 翻床 问题进行分析讨 论.本文则是在实验室实验台上细致地研究双支腿 流化床内颗粒在支腿间质量交换的特性. 压力脉动信号是气固两相流测量中最容易也 是最直接能够采集的数据,因此对压力脉动信号的 分析最能直接体现流化床内的流动特性.因此众多 学者对鼓泡床、湍动床、循环流化床、喷动流化床 以及气力输送等的压力脉动信号进行功率谱[6-9] 以 及香农(Shannon)熵[10-16] 分析, 进而识别床内流型并 获得其他许多有价值的信息.

1 实验装置 双支腿流化床实验系统如图

1 所示.整个系统 主要包括:罗茨风机、风连箱、管道、流量计、风 室以及双支腿流化床主体.床体由有机玻璃构成, 床宽*床深*床高=240mm*20mm*800mm,支腿高 为160mm, 每个布风板宽度为 80mm. 为减小物料 对有机玻璃的磨损,实验工质采用 0.9~1 mm 的黑 色玻璃珠(密度为

2 650 kg/m3 ),初始床料量使用量 筒定量.由罗茨风机提供的具有一定压力的空气先 进入连箱,分别调节

2 个玻璃转子流量计之前的阀 门,保持流量计浮子稳定,进入

2 个风室的空气经 过布风板分别进入各支腿,最后气体经出口排入 大气. 管道 流量计 风连箱流化床罗茨 风机 P 风室 P P P 图1双支腿流化床实验系统图 Fig.

1 Experimental system of the pant leg fluidized bed 差压脉动采集系统由数据采集器(RBH8251- 13)、差压变送器(CYB623)以及电脑组成.实验中 使用

2 个差压变送器,分别测量两侧风室与悬浮空 间测点之间的差压,减去布风板阻力即为床内气固 两相的差压波动值.由于炉内床料颗粒的重力压降 在总压降中占据的比例很大,因此本文忽略了床内 的摩擦压降和加速压降[3] ,得到两侧半床差压脉动 后,左侧半床差压减去右侧半床差压,可近似认为 等于左右两侧物料量的差.采样频率为 10Hz.表1表1实验工况 Tab.

1 Experimental conditions H/mm v/(m/s)

40 60

80 100 1.88 2.71 3.42 4.16 5.06 注:表示所做工况. 给出了不同入口气速(v)及静止床高(H)下的实验 工况. 图2给出了一组工况(v=2.71m/s,H=80mm)单 侧床内及两侧半床间的差压波动原始信号.由图2(b)可以看出两侧半床间的差压波动在

0 附近, 这表明颗粒在两侧支腿间来回交换. t/s (a) 左侧床内压力脉动信号

2 400

2 000

1 600

1 200

800 400

0 200

400 Δ p L t/s (b) 床间压力脉动信号

1 200 ?1

200 400 ?400

0 200

400 Δ p L ?Δ p R 图2差压波动信号 Fig.

2 Pressure differential fluctuation

2 功率谱密度和 Shannon 熵 功率谱密度(power spectral density,PSD)定义 了信号或者时间序列的功率随频率分布情况.这里 的功率可以是实际物理上的功率,也可以表示抽象 的信号被定义为信号数值的平方.功率谱密度最大 点对应的频率被称为主频[5] ,可以用来表征该信号 中哪个频率起主导作用.因此对支腿差压脉动进行 PSD 分析得到的主频可以在一定程度上用来判定 支腿间颗粒交换的方式,同时结合实验分析可以得 第35 期 杨春振等:双支腿流化床颗粒交换的压力信号分析

99 出颗粒交换方式对应的主频,同时主频的幅值(功率:主频的能量)可以表征该颗粒交换方式在所有 交换方式中所占的比重.现代谱估计主要是针对 经典谱估计分辨率低和方差性不好提出的,较之 经典谱估计方法可以极大的提高估计的分辨率和 平滑性.本文采用基于 MATLAB 的Yule-Walker 现代功率谱分析方法,对各工况的压力信号进行 PSD 处理分析. Shannon 熵(信息熵)是由 Shannon 于1948 年为 描述信息论中的 信息量 而创立的.Shannon 熵 描述的是信源不确定性,信息熵大表示信源的不确 定程度大.因此实验测得的压力脉动信号可看成是 一组时间序列的信息源,其中包含了支腿间颗粒交 换的信息,通过计算其 Shannon 熵,可以用来表征 颗粒交换的稳定和复杂程度.因此,熵越大表明颗 粒交换行为越复杂,不稳定程度越高.

3 结果与讨论 3.1 颗粒交换方式 对图2(b)差压脉动信号进行PSD分析得出其频 谱图,如图 3(a)所示.可以发现有

2 个频率对应着 较高的功率,颗粒在两支腿间交换有

2 种形式,对 应图 3(b)不难发现这

2 种形式为单颗粒交换以及颗 粒团簇交换:单侧支腿内,一部分颗粒在气泡的排 挤作用下会向两侧壁面运动并回落至该支腿内,另 一部分位于气泡表面的颗粒在气泡破裂时会被抛 射至另一支腿内,形成单颗粒交换方式;

颗粒在高 速气流的携带作用下会以颗粒团簇的形式存在,当 颗粒团簇具有横向迁移能力时,则会横........