（工程热物理专业论文）循环流化床声发射特性研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 声发射测量技术作为一种非接触式的无损检测方法，在各个领域得到了人们越来越 多的关注，其在循环流化床领域的应用也具有极大的潜力，本文即针对循环流化床的声 发射特性进行了一些基础研究。本文搭建了循环流化床冷态流动实验台，并在实验台上 进行了循环流化床的声发射测量实验，得到了循环流化床的声发射信号随流化风速、静 止床高等运行条件改变而变化的规律。在此基础上，实验通过加入大颗粒的方式模拟了 循环流化床的结焦故障，并测得了此时循环流化床的声发射信号，发现当有大颗粒存在 时，循环流化床声发射信号的能量明显向高频段迁移，声发射测量技术作为一种故障诊 断方法，在循环流化床流化状态的监测中具有很大的应用潜力。 关键词：循环流化床，声发射，冷态流动 a b s t r a c t a c o u s t i ce m i s s i o n sm e a s u r e m e n t s ，a san o n - c o n t a c tm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , a t t r a c t e d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nm a n yf i e l d s i t sa p p l i c a t i o nw a sa l s oe x p e c t e dt ob ef e a s i b l e f o rc f b m o n i t o r i n g t h i sw o r kf o c u s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fa c o u s t i ce m i s s i o n sf r o m c f b c f bc o l dm o d e lw a ss e tu pa n da em e a s u r e m e n t sw e r ec a r r i e do u to ni t t h e r e w a s s t r o n gc o r r e l a t i o nb e t w e e na c o u s t i cs i g n a l sa n df l u i d i z i n gc o n d i t i o n s a n db ya d d i n g b i gp a r t i c l e si n t ob e d ，a g g l o m e r a t i o nw a ss i m u l a t e da n da es i g n a l sw e r em e a s u r e d i t s u g g e s t e dt h a tw h e nb i gp a r t i c l ew a sf o r m e d ，e n e r g yd i s t r i b u t i o no fa et e n d e dt o w a r d s h i g hf r e q u e n c ys e g m e n t s b a ij u n j i e ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f d o n gc h a n g q i n g & p r o f y a n gy o n g p i n g k e yw o r d s ：c f b ，a e ，c o l d - f l o w 华北电力大学硕士学位论文 摘要 声发射测量技术作为一种非接触式的无损检测方法，在各个领域得到了人们越来越 多的关注，其在循环流化床领域的应用也具有极大的潜力，本文即针对循环流化床的声 发射特性进行了一些基础研究。本文搭建了循环流化床冷态流动实验台，并在实验台上 进行了循环流化床的声发射测量实验，得到了循环流化床的声发射信号随流化风速、静 止床高等运行条件改变而变化的规律。在此基础上，实验通过加入大颗粒的方式模拟了 循环流化床的结焦故障，并测得了此时循环流化床的声发射信号，发现当有大颗粒存在 时，循环流化床声发射信号的能量明显向高频段迁移，声发射测量技术作为一种故障诊 断方法，在循环流化床流化状态的监测中具有很大的应用潜力。 关键词：循环流化床，声发射，冷态流动 a b s t r a c t a c o u s t i ce m i s s i o n sm e a s u r e m e n t s ，a san o n - c o n t a c tm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , a t t r a c t e d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nm a n yf i e l d s i t sa p p l i c a t i o nw a sa l s oe x p e c t e dt ob ef e a s i b l e f o rc f b m o n i t o r i n g t h i sw o r kf o c u s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fa c o u s t i ce m i s s i o n sf r o m c f b c f bc o l dm o d e lw a ss e tu pa n da em e a s u r e m e n t sw e r ec a r r i e do u to ni t t h e r e w a s s t r o n gc o r r e l a t i o nb e t w e e na c o u s t i cs i g n a l sa n df l u i d i z i n gc o n d i t i o n s a n db ya d d i n g b i gp a r t i c l e si n t ob e d ，a g g l o m e r a t i o nw a ss i m u l a t e da n da es i g n a l sw e r em e a s u r e d i t s u g g e s t e dt h a tw h e nb i gp a r t i c l ew a sf o r m e d ，e n e r g yd i s t r i b u t i o no fa et e n d e dt o w a r d s h i g hf r e q u e n c ys e g m e n t s b a ij u n j i e ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f d o n gc h a n g q i n g & p r o f y a n gy o n g p i n g k e yw o r d s ：c f b ，a e ，c o l d - f l o w 华北电力大学硕士学位论文 主要符号表 颗粒密度( 堙m 3 ) 气体密度( 姆m 3 ) 颗粒直径( m m ) 床径( m m ) 流化风速( m l s ) 床高( 肌) 临界流化风速( m s ) 炉膛界面面积( 聊2 ) 旋风分离器入口面积( m 2 ) 空气动力粘度( p a s ) 频率( h z ) 颗粒撞击器壁速度( m j ) 杨氏弹性模量( 聊2 ) 有效能量( 砌2 ) 各尺度能量( 砌2 ) 尺度因子 平移因子 各细节尺度信号 各概貌尺度信号 各尺度能量分率 泊松比 故障判别参数 l v 办 以 砟 d 日 墨 墨 厂 m e 巨 口 6 4 q 口 后 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文循环流化床声发射特性研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鱼缝日期：型堕塑蜩 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 自傻杰 导师签名： 日期： 荔乞底 矿以弓f 彦 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 随着经济社会发展进步，节约能源与环境保护成为当今社会发展的重大主题。 当今电力工业的两大主题亦为节能与环保【1 】。 我国的能源以煤为主，这种局面在相当长的历史阶段之内不可能被打破。在我 国的发电行业中，2 0 0 4 年，燃煤电厂占全国电力装机容量的7 3 。尽管国家加大了 对水电、核电的投资力度，但是，预期到2 0 2 0 年，燃煤电站仍然占总装机容量的 7 5 左右。我国煤碳储量相对丰富，但是煤碳种类多、质量差异大。相当一部分煤 碳为高灰或高硫煤。我国的煤碳资源作为一次能源的大量使用造成了相当严重的粉 尘、二氧化硫和氮氧化物污染。根据分析，如果不采取措施，到2 0 2 0 年，我国燃 煤向大气释放的二氧化硫和氮氧化物预计分别为4 0 0 0 万吨和3 5 0 0 万吨。中国已经 成为世界第二大二氧化碳释放国【3 】。 自2 0 世纪8 0 年代以来，国际上提出了清洁煤燃烧技术的各种方案，如循环流 化床、增压流化床联合循环、整体式煤气化联合循环等，近年来又提出煤的多联产 概念以及以二氧化碳减排为主要目标的纯氧煤燃烧技术。综合比较各种清洁煤技 术，循环流化床燃煤技术是相对较为简单、污染控制成本较低、可以大规模推广并 达到规模性减排的一项技术【3 1 。它的主要优点如下【1 】： ( 1 ) 燃料适应性广，燃烧效率高 循环流化床锅炉燃用的原煤热值可低至5 8 6 0 移k g ，燃料的水分可高至5 0 ， 灰分可高至7 6 ，硫分可高至7 。同时，它还可以燃用木屑、蔗渣及其他可燃物。 在燃料适应性方面循环流化床锅炉具有其它类型锅炉所无法比拟的优势。 循环流化床锅炉的燃烧效率较高，锅炉燃烧效率可以达到9 5 - 9 7 。 ( 2 ) 环保性能突出 电厂对大气的污染主要是烟气中的s 0 2 和n o x 的污染。循环流化床锅炉的优点 之一就是利用低温燃烧和分级送风，降低了炉膛温度，避免了氧气与氮气在高温下 的接触，从而有效地抑制了n o 的生成；优点之二是通过往炉内添加廉价的石灰石x 脱硫减少了烟气中s 0 2 的排放量( 循环流化床锅炉的脱硫效率可达到9 0 以上) ，从 而使烟气中有害物质的排放不但大大低于常规燃煤电厂( 未设脱硫设备的电厂) ，而 且大大低于国家环保部门的排放标准。 ( 3 ) 调峰能力强 循环流化床锅炉对负荷变化的适应性较强，在额定负荷的3 0 1 0 0 范围内 华北电力大学硕士学位论文 不需要喷油助燃就可保障锅炉的燃烧稳定和经济运行，有利于电厂参与调峰，且具 有较强的调峰能力。 ( 4 ) 运行经济性高 循环流化床锅炉可以燃烧含碳量较低、价格较便宜的煤或煤矸石，发电成本较 低，而且脱硫后的大量灰渣因其高钙、低碳、中温活性，具有良好的灰渣综合利用 性能，而具有较高的经济价值。 由于循环流化床锅炉的上述优点，适用于我国煤炭和发电行业的实际情况，因 此循环流化床燃煤技术在我国具有极大的市场潜力，这也是我国在2 0 年之内发展 为世界上拥有循环流化床锅炉最多的国家的根本原因。按照政府和能源领域专家的 共识，今后我国3 0 0 m w 以下容量燃煤供电供热机组，将以循环流化床为主；3 0 0 m w 容量以上燃煤供电机组将以超临界煤粉炉加烟气脱硫脱硝技术为主。对高硫高灰燃 料，辅以大型超临界循环流化床技术。可以预期，我国在供热采暖工业用汽及热电 联产等行业，循环流化床将占主导地位。在燃煤发电领域将占有1 0 左右的市场口1 。 循环流化床燃煤锅炉与其他类型锅炉的主要区别是其处于流化状态下的燃烧 过程，床料的正常流化是其安全稳定运行的基础。在现场的实际运行中，经常发生 因床料无法正常流化导致的锅炉非计划停运，造成重大的经济损失【2 】。因此，对床 料的流化状态进行监测十分必要。 声发射技术作为一种新兴的监测方法，在我国石油、石化、航空、航天、冶金、 铁路、交通、煤炭、建筑、机械制造与加工等诸多领域得到了广泛的研究和应用， 并取得了良好的效果。声发射技术的诸多优点决定了其在循环流化床状态监测中也 将具有很大的优势，但目前还没有成熟的方法得以应用。因此，开发出一种可靠的 声发射监测方法，使其能有效的对循环流化床的流化状态进行监测具有重大的意 义。为了达到这个目标，有必要对循环流化床内部的声发射机理进行研究，得出一 些结论，以从理论上对预期的声发射监测方法进行指导和解释。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 循环流化床锅炉状态诊断的研究概况 为了建立成功的实时锅炉状态诊断系统，必须建立有效的在线热工信号获取与 征兆形成的手段。常规的热工测量信号可以提供大量汽水和烟气过程的信号与征 兆，然而它对锅炉内燃烧状况直接反映的信号太少【8 】。因此，从提高燃烧的经济性、 安全性和降低污染物出发，世界上先进的工业国家开发了许多锅炉燃烧监测的新技 术h 1 ，如：利用摄像机获取火焰图像处理瞬时的炉内温度分布；用声波c t 法，通 过声波在气体媒介中的传播速度与气体温度的相关性求解温度场分布；微压波动检 2 华北电力大学硕士学位论文 测技术，利用微压波动能谱与燃烧状况( n o 排放量， 浓度等) 的相关关系等。x c o 目前在锅炉状态诊断过程中常用的物理诊断技术有： ( 1 ) 红外测温诊断技术 红外测温技术在工业上主要应用在电力、冶金、化工、建筑、电子等方面的故 障状态检查和工艺流程中的测温等。红外测温技术应用于循环流化床锅炉状态诊断 是一个全新的课题，具体应用范围有锅炉火焰和燃烧状态进行辨别与控制、热力设 备疲劳损伤、热力设备热机械学特征规律、热力系统漏热及保温进行诊断与评价、 转动机械轴系( 磨煤机、风机等) 过热故障的诊断、储煤自燃隐患的诊断、锅炉堵 灰的红外监测与控制、锅炉热污染控制等。 ( 2 ) 超声波诊断方法 超声波诊断技术作为一种非接触式高温测量方法，在煤粉锅炉燃烧检测与诊断 中越来越受到重视，它可用来监视炉膛上部区域的烟器温度，决定何时进行吹灰操 作，维持锅炉良好的运行性能：可用来监视炉膛各个燃烧器区域附近烟器温度，有助 于识别和清除燃烧器故障导致的燃烧工况异常：同时可加入到对污染物生成有重要 印象的温度的优化控制，实现清洁燃烧。 ( 3 ) 无损伤检测技术 无损检澳u ( n d t ，n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 是指对材料、部件进行的非破坏检测， 以期发现表面和内部缺陷的一项专门技术。无损检测技术还有：渗透探伤法，磁粉探 伤法，涡流探伤法，射线探伤法，光学探伤法等。 但目前普遍用于循环流化床运行状态监测的方法还是仅局限于温度、压力、风 量等常规热工信号的监测，然后根据运行人员的经验来判定锅炉的运行状态。 1 2 2 声发射技术的发展与应用 材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射( a e ) 。用仪器 检测、分析声发射信号和利用声发射信号诊断故障的技术称为声发射技术。 声发射技术自从诞生到现在，经历了近半个世纪的发展，经历了以下几个阶段 【5 1 ( 1 ) 认识阶段： 人们很早以前就认识到了声发射这一现象，如“锡鸣”现象，但没有得到重视、 研究及应用。 ( 2 ) 初步研究与应用阶段： 5 0 年代，德国人k a i s e r 对多种金属的声发射现象进行了详细的研究并发现凯 塞尔效应，为以后的应用打下了基础。6 0 年代中期，美国人d u n e g a n 等把声发射 的测试频率范围移到超声频段，为其实际应用打下了更好的基础。1 9 6 4 年美国对 华北电力大学硕士学位论文 北极星导弹舱成功的进行了声发射检测，这是a e 在工程结构上成功应用的第一个 实例。 ( 3 ) 蓬勃发展阶段： 7 0 年代是声发射技术的蓬勃发展阶段。在理论研究方面，声发射传播理论、 波形分析、声发射传感器的较正理论取得了较大进展，研究范围亦不断扩大：在工 程应用方面，做了许多工程实验和实际检测，获得了宝贵的经验和资料，促进了 声发射技术的应用：一些声发射工作组成立并开始工作，制订了一些行业标准。 ( 4 ) 缓慢发展阶段： 8 0 年代初，声发射技术有一定的发展，但发展缓慢。因为当时在声发射信号 处理方面的能力受限，对声发射源性质、信号的传播特性等的认识深度不够，检测 结果的可靠性和重复性存在一定的问题。 ( 5 ) 稳步高速发展阶段： 8 0 年代末和9 0 年代初，随着声发射基础理论研究的深入开展以及现场、实验 数据和经验的大量积累，计算机技术、集成电路、人工神经网络等信号处理( 尤其 是数字信号处理技术) 及模式识别技术在声发射中的广泛应用：加之日益扩大的应 用领域对声发射技术的发展提出了新的要求等促使声发射技术稳步高速发展。 目前声发射技术作为一种成熟的无损检测方法已被广泛应用，主要应用领域和 方面有： ( 1 ) 石油化工行业 各种压力容器、压力管道和海洋石油平台的检测和结构完整性评价，常压储 罐底部、各种阀门和埋地管道的泄漏检测等【7 1 。 ( 2 ) 电力行业 高压蒸汽汽包、管道和阀门的检测和泄漏监测，汽轮机叶片检测，汽轮机轴承运 行状况监测，变压器局部放电检测砸1 。 ( 3 ) 材料试验 材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、腐蚀监测和摩擦测试，铁磁性材料的 磁声发射测试等。 ( 4 ) 民用工程 楼房、桥梁、起重机、隧道和大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监 视等。 ( 5 ) 航空航天工业 航空器壳体和主要构件的检测和结构完整性评价，航空器的时效试验、疲劳试 验和运行过程中的在线连续监测等。 ( 6 ) 金属加工 工具磨损和断裂的探测、打磨轮或整形装置与工件接触的探测、修理整形的验 4 华北电力大学硕士学位论文 证、金属加工过程的质量控制、焊接过程监测、振动探测、锻压测试以及加工过程 的碰撞探测和预防。 ( 7 ) 交通运输业 长管拖车、公路和铁路槽车及船舶的检测和缺陷定位、铁路材料和结构的裂纹 探测、桥梁和隧道的结构完整性检测、卡车和火车滚珠轴承和轴颈轴承的状态监测 以及火车车轮和轴承的断裂探测。 ( 8 ) 其它 硬盘的干扰探测，带压瓶的完整性检测，庄稼和树木的干旱应力监测，摩擦磨损 监测，岩石探测，地质和地震应用，发动机状态监测，转动机械的在线过程监测，钢轧 辊的裂纹探测，汽车轴承强化过程的监测，铸造过程监测，l i m n 0 2 电池的充放电监 测，人骨头的摩擦、受力和破坏特性试验以及骨关节状况的监测等。 根据声发射的原理，声发射技术有其特有的优点： ( 1 ) 能够实时的对设备的整个结构进行监测。克服了压力和温度等信号在时间 上的不敏感性和光纤、电容等探针测量信号在空间上的不敏感性。 ( 2 ) 由于是非侵入式被动测量，所以适用于高温、高压、高磨损、高腐蚀等常 规方法难以应用的工程实际条件，且不影响测量对象的工作状态。 ( 3 ) 设备简单，价位适中，不需要昂贵而复杂的设备。 1 2 3 声发射技术用于流化床监测的研究现状 虽然目前声发射技术尚未应用于循环流化床锅炉的状态监测，但现在已有一些 关于其在其他流化床领域的研究【l 舢2 1 1 。美国田纳西州大学的c 。e a 。f i n n e y 等人测量 了流化床腾涌状态的声发射特性，指出通过简单的声发射信号采集和处理，可以获 得有关流化床动力特性的重要信息，且通过对低频信号声强的处理可以监测流化床 的腾涌活动f 1 2 1 。西班牙马德里大学的b r i o n g o s 等人则证明了低频声发射信号可以取 代以往研究所用的高频超声信号来诊断流化床的状态，并指出空间状态分析方法是 比较好的一种声发射信号处理方法【l3 1 。英国帝国理工学院的b o y d 和v a r l e y 也认为 流化床微观和宏观现象的声发射频率在2 0 0 h z 左右 i s 】。国内学者也对声发射在流化 床中的应用进行了研究。东南大学的刘勇等人对燃煤流化床的声发射信号进行了频 率分析，并认为流化床的床内声源可分为三部分：背景噪声、气泡破碎和流体湍动 声发射，但其方法是将声学传感器插入炉膛内部测得【9 1 1 】。浙江大学的阳永荣等人 则利用声发射信号测量的方式对化工用气固流化床聚合反应器进行了研究，并成功 地诊断出了其中的结块故障等，其采用的频率为高频超声范围【4 l , 4 3 , 4 5 】。 综合国内外的发展状况和发展趋势，声发射技术已经越来越多地应用于社会生 产的各个领域。基于与其它监测方法相比在实时性、高温高压工况下的适用性以及 5 华北电力大学硕士学位论文 经济性等方面占有的优势，声发射技术在循环流化床监测中也具有极大的发展潜 力。因此，本文针对其在循环流化床状态监测中的应用作了一些前期的理论及实验 研究，探索循环流化床内部流动的声发射特性，以期能得到一些有用的结论，用以 反映床内的流动特性及状态。 1 3 论文的主要研究内容 本论文的目的在于研究循环流化床内部的声发射特性，探求低频声发射信号测 量技术在循环流化床运行状态监测中的应用潜力。据此，论文的研究工作主要按以 下步骤展开： ( 1 ) 根据循环流化床的设计原则和模化相似准则，搭建并完善循环流化床冷 态流动实验台。 ( 2 ) 在冷态流动实验台上进行鼓泡流化床声发射信号随流化风速、静止床高 等工作条件改变时的变化规律。 ( 3 ) 在冷态流动实验台上进行循环流化床的声发射实验研究，得到循环流化 床声发射信号随实验条件改变的变化规律。 ( 4 ) 在循环流化床床料中分别加入大小颗粒模拟流化恶化时的工作状态，得 到非正常流化时声发射信号的特性。 ( 5 ) 运用理论声学和弹性振动对流化床内部流动的声发射现象进行解释，并 和实验结果进行比对，阐述声发射的机理和特性。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章循环流化床冷态流动实验台的搭建 循环流化床燃烧技术的发展极其迅速，但从研究的透彻程度来讲，其发展尚处 于初级阶段。在循环流化床锅炉的设计中，经验尚是占主导地位的，对于同一种燃 料，不同设计者、不同制造厂家可能采用完全不同的炉型 2 4 , 2 5 1 。 由于理论研究目前尚未达到可完全模拟的程度，在研究循环流化床锅炉时，多 采用试验方法，这样就涉及到两大问题，一个就是模化，一个就是放大。模化方法 一般是采用方程分析或因次分析方法导出相似准则，并在根据相似原理建立起的模 型( 试验台) 上，通过试验求出相似准则之间的函数关系( 或方程、曲线等) ，再 将此函数关系推广到实际循环流化床上，对循环流化床锅炉进行设计或指导实炉运 行。而放大一般是遵循一定的放大原则，根据实验室模型或小型锅炉的试验结果、 运行情况对较大容量的循环流化床锅炉进行设计，使设计的要求与实际运行的情况 比较相符。 模化和放大都应遵循一定的相似规律，但在提出相似规律时，总是忽略了一定 的因素。循环流化床锅炉涉及到复杂的多相反应流体力学和传热传质等问题，要想 对这样复杂的过程进行全模化，在目前几乎是不可能的，所以目前提出的模化或者 放大定律基本上是针对多相流动过程所提出的。 g l i c k s m a n 等提出了一个循环流化床模化的无因次数组，该数组是根据连续性 方程、动量方程、边界条件和e r g u n 方程推导而来的。放大或缩小后的循环流化床 如果相似准则与原型的相似准则相同，则它们的流体动力特性基本上相同。 g l i c k s m a n 等提出的相似准则为 p pp p u o d pu ；h d pg s p t zg d dd p p 4 式中：纬和纬分别为颗粒和气体的密度；砟和d 分别为颗粒直径和床径；q 为循 环物料量；u 。为流化风速；为气体粘度；h 为床高。 由于g 在实际运行时测量比较困难，为此，g l i c k s m a n 等对上述相似准则进行 了简化，提出了如下的相似准则： u iu p s h h l g h t l 时p p d h t 根据其进行的试验表明，采用上述准则方程可以进行较好的放大模化f 2 4 】。 h o r i o 等提出了另一种形式的相似准则，该相似准则的要求与上述的要求有所不同， 设流化床床径的放大系数为r n ，即 7 华北电力大学硕士学位论文 廊= 绣l d , o 式中：见。和d 6 。分别为模型床和原型床的床径。 相似准则为 u 广 一= 三一o v m u o u s o 式中：蚝= q p , p pp , o - = 一 p gp 咖 试验表明，采用上述相似准则也可以较好地对循环流化床进行模化【2 4 1 。 循环流化床锅炉中运行风速的正确选择是非常重要的。如果运行风速提高，则 锅炉会更加紧凑，断面热负荷也可以增加，此时为了保证燃料和石灰石颗粒有足够 的停留时间和布置足够的受热面，往往采取增加炉膛高度或提高分离器效率提高循 环物料量。这样不仅磨损会增加，而且可能会增加锅炉的造价。虽然燃烧效率可以 有所提高，但由于风机等的电耗增加，锅炉的整体效率不一定增加。但如果运行风 速低，则会给总体燃烧及传热带来一系列问题，从而发挥不了循环流化床的优点。 这应在二者之间保持平衡，目前运行风速的选择一般都在5 - 8 m s 左右。在循环流 化床锅炉发展的初期，选择的风速一般较高，在目前由于考虑磨损的危险性和降低 风机能耗，流化风速常常较低，一般在5 m s 左右。 循环流化床的分离机构是循环流化床的关键部件之一，从目前的发展情况来 看，循环流化床分离装置的种类很多，新的形式还在不断出现，但大致可分为两类： 高温旋风分离器和惯性分离器。采用高温旋风分离器分析效率较高，但体积庞大， 结构复杂；而采用高温惯性分离器虽然简单易布置，但效率较低。本论文冷态流动 实验台模拟的是高温旋风分离器。高温旋风分离器的切向进口风速对分离器的分离 特性有很大影响。进口风速越高，分离效率越高，但运行阻力也越大。进口气速过 高，气流湍流度增加以及颗粒反弹加剧，二次夹带严重，使效率降低。另外，气速 太高，粉尘微粒与器壁的摩擦加剧，粗颗粒粉碎，使细粉尘含量增加。过高的气速， 对有凝聚性质的粉尘也有分散作用，这均对除尘不利。此外，气速过大，压力损失 也大大增加。能量损耗太大，而且也会加速对分离器本体磨损，使运行寿命降低。 因此，设计旋风分离器时，应取一适宜的风速，既保证分离效率又考虑能量消耗。 一般取进口气速为1 5 2 5 m s 。 在本论文结合上述循环流化床的设计原则和模化理论，搭建了冷态流动实验 台。在实验台的搭建中，认为循环流化床锅炉的运行风速取5m s ，旋风分离器的 进口气速取2 0 m s ，并不考虑气体的损失，因此，炉膛截面面积和旋风分离器入口 2 华北电力大学硕士学位论文 面积有以下关系： s f x u 0 2 s i x v t 式中，s 厂为炉膛截面面积，为运行风速，s 为旋风分离器入口面积，哆为旋风分离器 进口气速，因此，有： 至：堡：鱼堕：三 s 厂 2 0 r a l s4 本论文选取透明材料有机玻璃管和有机玻璃板搭建冷态流动实验台以方便观 察炉膛内的床料流动状况。炉膛横截面取为直径d 为1 0 0 m m 的圆，则由此可以计算 得到旋风分离器入i ：1 面积墨为： 墨= 丢墨= i 1 万( 詈) 2 = 。，9 6 2 5 m 2 在工业过程中使用的垂直逆流旋风分离器，通常按一定的几何尺寸比例进行设 计，按这种比例设计的旋风分离器能保持相近的性能。表2 1 给出了几种典型旋风 分离器的大致比例尺寸。 表2 1 垂直逆流旋分离器的标准尺寸 注：a 为分离器入口高度，m ；b 为分离器入口宽度，m ；o o 为分离器直径，m ；砬为 排气管直径，m ；d 2 为分离器排灰口直径；以为排气管插入深度，m ；h 为分离器筒 体高，m ：h 为分离器总高，m 。 本论文选取通用型垂直逆流旋风分离器的尺寸，由此，可以得到旋风分离器的各个 尺寸： a x b = s i = o 0 0 1 9 6 2 5 m 2 9 华北电力大学硕士学位论文 由于有机玻璃管材料所限，在实际搭建中， 炉膛所用有机玻璃管外径为1 0 0 m m ，内径为 9 3m m ，旋风分离器尺寸也进行了相应调整。根 据经验，取炉膛高度为2 5 0 0 m m ，并在炉膛下设 置风室，风室和炉膛间布置布风板。本论文冷态 流动实验台布风板采用在横截面为直径9 4 m m 的圆上均匀布置数层直径为5 m m 钢珠来达到均 匀布风的目的。 本实验送风使用一台空压机来提供一次风， 并通过玻璃转子流量计来调整风量。 空压机为捷豹牌e t 9 0 型空压机，功率为 7 5k w ，排气量为1 3 6m 3 m i n ，排气压力为 0 8m p a 。空压机出口空气进入一个空气除水清 净器，并使用一个调节范围为0 1 - - 0 8 m p a 的减 压阀减压，保证进入系统的空气压力为 o 1 5 胁。 流量计为l z b 一4 0 型玻璃转子流量计。该流 量计最大量程为4 0 m 3 h ，最小量程为4 m 3 h ， 最小刻度为1m 3 h 。进口截面为直径为4 0 m m 的圆。 1 0 香一塞 嗣一又 锈l l ii i 口 鼍h ；l 弋 - j 阻羹 礼 j 螽 o r l 看 钆 善 ， 缸 囊 蛐 习 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2 循环流化床冷态流动实验台总体示意图 整个循环流化床冷态流动实验台如图2 2 所示。 空压机送 风 小结： 在介绍了循环流化床设计原则和模化相似准则的基础上，计算了循环流化床冷 态流动实验台的相关数据，并根据计算出的数据，采购相关器材和设备，搭建完成 了循环流化床冷态流动实验台。 华北电力大学硕士学位论文 第三章循环流化床冷态流动声发射测量实验 3 1 声波采样系统介绍 本实验采用一组由传声器、前置放大器、多通道数据采集器以及便携式笔记本组成 的声波采样系统进行声波信号的采集。其中，传声器与前置放大器分别采用由声望公司 生产的l 2 英寸预极化驻极体无指向性测量传声器m p 2 0 1 ( 灵敏度5 0 m v p a ，属电容 式结构) 与4 o m a 电流供电的i c p 前置放大器m a 2 0 1 。数据采集器选用德国米勒贝姆 声振系统有限公司生产的m ki i 多通道数据采集前端。采集到的实验数据通过1 0 1 0 0 m 传送速率的以太网卡传至与m ki i 多通道数据采集前端相连的便携式笔记本，通过p a k 噪声振动测量分析系统收集并存储下来。本试验并不使用p a k 噪声振动测量分析系统 自带的数据分析功能，而是通过m a t l a b 小波工具箱另行编程处理数据。声波采样系统 示意图如图3 1 所示。 ， 一_ 一 送风 3 2 实验依据、方法和实验步骤 3 2 1 实验依据和方法 图3 1 实验声波采集示意图 本实验是在前述搭建的循环流化床冷态流动实验台上，选择不同的床料、流化 风速、静止床高等实验条件模拟循环流化床冷态流动，然后通过前述声波采样系统， 选用4 0 9 6 h z 采样频率在床壁外测量循环流化床冷态流动发出的声发射信号，并存 1 2 华北电力大学硕士学位论文 储在计算机内。最后通过m a t l a b 小波工具箱利用小波分析方法对所得信号进行分析 处理。 ( 一) 采样频率的选择 目前国内外对流化床声发射领域的研究采用的声波采样频率主要集中在高频 超声范围。例如浙江大学的阳永荣等人已经成功地利用高频声发射信号测量方法对 化工用气固流化床聚合反应器进行了监测，并有效地诊断出了其中的结块故障等。 但采用较高的频率有其一定的缺点：采样频率越高意味着所需要处理的数据量越 大，尤其在超声范围频率下，所需要处理的数据量是惊人的。这样不仅给信号的处 理带来了难度，而且提高了对设备的要求，影响了系统的经济性和便携性。 为了进一步发挥声发射技术的优越性，提高其在循环流化床锅炉监测应用中的 前景和效益，就必须对目前采用的技术进行改进，降低声波的采样频率，继而开发 出一种经济的便携的监测系统，才能使声发射技术在循环流化床领域得到更好的应 用。 目前已有理论指出低频声发射信号也能反映出流化床的流化状态。美国田纳西 州大学的c e a f i n n c y 等人通过测量流化床腾涌状态的声发射特性，指出通过对低 频声波信号声强的处理可以监测流化床的腾涌活动【l2 1 。西班牙马德里大学的 b r i o n g o s 等人则证明了低频声发射信号可以取代以往研究所用的高频超声信号来诊 断流化床的状态【1 3 】。英国帝国理工学院的b o y d 和v a r l e y 也认为流化床微观和宏观 现象的声发射频率在2 0 0 h z 左右【l 引。这些理论都为低频声发射技术在循环流化床流 化状态监测中的应用奠定了基础。 综上所述，本文研究的内容即是低频声发射信号测量技术在循环流化床流化状 态监测中的应用，因此，结合国内外研究现状，本论文采用4 0 9 6h z 作为声波信号 的采样频率，这样既不像超声范围频率导致大量的数据处理，也不会漏掉有用的频 率信息。 ( 二) 床料的选择 为了测量不同床料对流化床声发射的影响，本实验对三种床料进行了流化实验，并 测量了其声发射数据。这三种床料分别为： 0 3 o 2 m m 筛分沙子，0 1 5 4 m m 以下筛分沙子，0 1 5 4 m m 以下筛分生石灰。 在流化床领域中，根据常温下一些典型固体颗粒气固流态化特性的不同， g e l d a r t 提出了一种颗粒分类方法，即根据颗粒的直径d 。、颗粒密度p 。和流化气体密 度成的差值将流态化颗粒分为以下四类( 如图3 2 所示) ： a 类颗粒： 这类颗粒粒度较细，一般为2 0 - 9 0 z m ，如化工流化床反应器常用的裂化催化 剂即属此类颗粒。这类颗粒通常很易流化，并且在开始流化至开始形成气泡之间一 段很宽的气速范围内床层能均匀散式膨胀。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 b 类颗粒： 这类颗粒具有中等粒度，典型的粒度范围为9 0 - 6 5 0 a m ，具有良好的流化性能。 流化床常用的石英沙即属典型的b 类颗粒，此种颗粒在流化风速达到临界流化速度 后即发生鼓泡现象。 c 类颗粒： 这些颗粒粒度很细，一般均小于2 0 1 a m ，颗粒间相互作用力很大，属于很难流 态化的颗粒，由于这种颗粒相互粘着力大，因此当气流通过这种颗粒组成的床层时， 往往会出现沟流现象。 d 类颗粒： 这类颗粒通常有较大的粒度和密度，并且在流化状态时颗粒混合性能较差，大 多数燃煤流化床锅炉内的床料及燃料颗粒均属于d 类颗粒。由于化工领域流化床多 集中在c 、a 、b 类颗粒，因而以前对d 类颗粒的流化性能研究得很少。近年来的 一些研究结果说明，d 类颗粒的流化性能与a 、b 类颗粒有较大差别，如气泡速度 低于乳化相间隙气流速度，即所谓的慢速气泡流型。 7 6 5 j l 售 3 o 2 龟 0 t o 5 1 1 rt l 、 l 一k 、 砂状的i 疃一甫的 t 、一 ， 、 l ， l一 ， 、 ，杉 嗣l jq 、 ， 、 l 、 、i ，。 l l 1 u 1 、 、 、 一， ， ， 、h ； ， 有牯：的 j s 0 1 0 0 2 0 05 0 0 l t l 。d 0 “，pm 图3 - 2g e l d a r t 的颗粒分类图 由图3 2 可以看出，上述3 种颗粒0 3 0 2 m m 筛分沙子属于b 类颗粒，具有良好 的流化性能；o 1 5 4 m m 以下筛分沙子属于a 类颗粒，0 1 5 4 r a m 以下筛分生石灰属于c 类颗粒。实验证明0 3 - - 0 2 m m 筛分沙子流化情况非常良好，实验数据也有良好的重复 性。而另两种颗粒粒径较小，很容易被夹带且粘附在床壁上，实验完成后静止床高大大 1 4 华北电力大学硕士学位论文 降低，可知实验存在较大误差，经过数据处理分析发现其实验重复性较差，应为实验误 差造成。因此，论文舍去了对后两种颗粒作为床料的数据处理和分析，只讨论0 3 - - 0 2m m 筛分沙子作为床料的实验结果。 0 3 , - - , 0 2m m 筛分沙子数据如下： d 。= , o 3 x 0 2 = 0 2 4 4 9 4 9 掰册 p ，= 2 4 3 0 k g m 以= 1 2 0 5 k g m 3 ( 标准室温下空气密度) 以= 1 8 0 8 x l o - 6 p a o s ( 标准室温下空气动力粘度) ( 三) 流化风速的选择 如第二章所述，由于本实验采用的是通过玻璃转子流量计调节风量来控制流化风 速的方式，所以需要对流量计的流化风量和其所对应的流化风速进行标识。已知实验台 炉膛内径为d p 9 3 m m ，流化风速u 可以按照如下公式进行换算，式中g 代通过流量计的风 量。 “= i 面q 丽x _ 4 万丽( m s ) “= 一 s 万o 0 9 3 3 6 0 0 得到的标识结果如表3 - 1 所示。 表3 - 1 流化风量与流化风速对比表 风量g ，m 3 h 风速“，m s 在进行声学测量实验前，首先利用下行测量法在本实验台上进行了临界流化风速测 钇 ：8 他 孔 汀 以 笳 施 铂 舛 仍 舛 m 弱 娩 筋 m 孙 m 记 们 钞 内 n 趴 眈 0 0 o o o 0 ( o o 1 4 5 6 8 m 屹 b ：2 加 笱 华北电力大学硕士学位论文 定的实验，实验测得0 3 - 0 2 m m 筛分沙子的临界流化风速为0 2 5 m s ，因此在声发射 实验中所取流化风速在0 1 6 1 0 2 m s 范围间，在此风速范围内，实验台可以实现鼓泡 流化床和循环流化床两种运行状态。 3 2 2 实验步骤 实验具体步骤如下： 1 ) 向炉膛内加入床料至实验选定的静止床高并封好加料口，做好通风准备。 2 ) 将传声器放置于炉膛布风板上方壁面处( 静止床高的2 0 - 4 0 之间) ，与床 壁保持l o m m 左右的间隙。并按照图3 1 所示连接好声波采样系统。为减轻外界噪声干 扰，用一方形盒体将传声器包围，只留面向床一侧。 3 ) 用声级计校正传声器至标准值，设定声波信号采集频率为4 0 9 6 h z 。开启p a k 噪声振动测量分析系统，设定信号采集时长为1 5 s 。 4 ) 开启空压机，并调节减压阀，使减压阀出口压力维持在0 1 5 m p a ，并调节玻璃 转子流量计，使循环流化床流化。 5 ) 调节流量计使风速达到实验选定的流化风速，待工况稳定且无空压机噪声时， 采集数据，在每个相同的工况点采集5 组数据。 6 ) 改变实验条件，并按计划完成实验，保存实验数据，以便进行后续分析处理。 具体的处理方法和步骤将在第四章中介绍。 7 ) 整理实验报告，并将实验设备妥善放置，为下次实验做准备。 3 3 实验工况设计 本实验为研究各种实验条件对声发射信号的影响，设计了以下几种实验工况： ( 一) 背景噪声 首先测量无任何操作时环境的背景噪声，测量5 次，每次1 5s 。 ( - - ) 空床 开启空压机，调节减压阀使减压阀出口压力维持在0 1 5 m p a ，不加任何床料，在 流化风速分别为0 2 0 m s 、0 3 3 聊s 、0 4 1m s 、o 5 3 m s 、0 6 1m s 、o 8 2 m s 时，测 量空床的声音信号，测量5 次，每次1 5 s 。 ( 三) 鼓泡流化床 首先测定鼓泡流化床冷态流化时，下述几个工况的声发射数据： 1 ) 在静止床高为1 2 0 m m 时，测量流化风速分别为0 2 0 m s 、o 3 3m s 、o 4 1m s 、 0 5 3 m s 、0 6 1 m s 、0 8 2 m s 时的声音信号，测量5 次，每次1 5 s 。 2 ) 改变静止床高，在静止床高分别为1 4 0 m m 、1 6 0 m m 时，继续测量1 ) 中各流化 1 6 华北电力大学硕士学位论文 风速下流化床的声音信号，测量5 次，每次1 5 s 。 ( 四) 循环流化床 测量循环流化床冷态流化时，下述各工况的声发射实验数据： 1 ) 在静止床高为2 4 0 m m 时、测量流化风速分别为0 6 1m s 、0 8 2 m s 、1 0 2 m s 时的声音信号，测量5 次，每次1 5s 。 2 ) 改变静止床高分别为2 8 0 m m 、3 2 0 m m ，继续测量1 ) 中各流化风速下的声音信 号，测量5 次，每次1 5j 。 ( 五) 模拟结焦故障 1 ) 模拟循环流化床发生结焦故障时的工况，先向床中加入数颗直径8 m m 左右大颗 粒，模拟床中有轻微结焦产生，然后调节流化风速分别为0 6 1m s 、0 8 2 m