煤粉高压密相气力输送稳定性分析

第3期
贺春辉等：煤粉高压密相气力输送稳定性分析
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stability of material tank deteriorated, and conveying stability became worse. At the right side of K=1.5, as K increased, decreasing trend of Hdp was not obvious, through combined analysis with standard deviation analysis, discharge stability became worse and might cause interruption of discharging.
2013-06-08 收到初稿，2013-11-28 收到修改稿。 联系人：沈湘林。第一作者：贺春辉（1984—），男，博士研究生。 基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（2010CB227002）；国 家高技术研究发展计划项目（2011AA05A201）。
Received date: 2013-06-08. Corresponding author: Prof. SHEN Xianglin, xlshen@ Foundation item: supported by the National Basic Research Program of China (2010CB227002) and the National High Technology Research and Development Program of China (2011AA05A201).
高压密相气力输送过程中的特征信号（如输送 管道压力、差压、颗粒浓度等）包含丰富的气固两 相流动信息，通过对气固两相流系统的实验研究， 获取压力、浓度等信号，结合学科交叉采用非线性 理论分析逐渐成为认识和研究气固两相流行为的重 要手段之一[6-10]，也为气力输送中输送管内流动稳 定性的分析提供了重要方法。各种非线性分析方法， 如混沌理论、分形理论、耗散结构理论，在一定程 度上表征两相流宏观动力学特性，对揭示气固两相 流非线性动力学规律方面有较大的促进作用[15]。近 年来，域重新标度分析得到了普遍重视，在金融领 域得到了广泛的研究与应用，被引入工程领域，广 泛应用于气固两相流动的分形特征研究[15-19]。域重 新标度分析法又叫重标极差分析法（rescaled range analysis），简称域重标分析或 R/S 分析，是由英国 科学家 Hurst 于 1965 年提出的一种时间序列分析的 特征统计方法，后来由 Mandelbrot 等[20]作了较为系 统的研究，证实了该方法的正确性。域重标分析首 先由 Fan 等[21]引入流态化压力波动的研究中，在 表 征 流 域 多 态 性 等 方 面 具 有 一 定 效 果 。 Cabrejos 等[22-23]使用 Hurst 指数分析了气力输送压力和差压 脉动信号，他们提出几种流型与差压 Hurst 指数范 围存在一定关系：纯气体流 0.35＜H＜0.50，均匀流、
Key words：dense phase pneumatic conveying; two-phase flow; stability; rescaled range analysis; fractals
引言
目前，气流床加压气化技术是大规模煤气化技 术发展的主流，是煤炭大规模、高效率利用的最佳 选择之一[1]。煤粉加压气化炉稳定运行的前提是供 煤系统稳定[2]。因此，对气力输送稳定性的分析研 究非常必要。气力输送的稳定性主要包括料罐内出 料的稳定性和输送管内流动的稳定性，国内外许多 学者从各个方面探讨了气力输送的稳定性[3-14]，重 点主要由输送管内流动的稳定性出发而研究输送的 稳定性。然而，由于输送条件各异，分析方法多种 多样，对输送稳定性的判别标准也有很大差异，存 在着多种不同的见解，有待于进一步研究。同时， 料罐内出料的稳定性及其对输送管内流动稳定性的 影响也有待探讨。
罐质量脉动序列进行了标准差分析，从管内流动和料罐出料出发，对整体输送稳定性进行了探讨。结果表明：水
平管差压信号 Hurst 指数 Hdp 能较好地表征管内流动稳定性，而料罐质量脉动 Hurst 指数 Hma 则需结合标准差分析 才能更好地表征料罐出料稳定性。以表观气速与跃移速度比值 K 为特征参数进行探讨，在 K=1.5 左侧，随着 K 值
然而，研究者一般是针对低压、稀相输送系统， 以空气为载气进行输送实验研究[10, 12, 19, 22-24]，有关 密相输送的研究较少，输送稳定性的判别存在不同 的见解，对输送管道压力和差压脉动信号的域重标 分析发现，Hurst 指数与输送流型和稳定性存在相关 性，但判断稳定性的 Hurst 指数范围并不明确或存 在较大差异，总体上，纯气流或稀相输送时，Hurst 指数较小。
1 实验装置
以 N2 作输送载气的高压密相气力输送实验系 统如图 1 所示。整个系统由气源系统、储料罐系统、
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化工学报
第 65 卷
输送管道系统、测量传感器和数据采集及控制系统 4 部分组成。气源系统由高压气瓶、汇流排、减压 阀和缓冲罐组成，为实验提供高压输送载气。储料 罐系统包括两个容积 0.648 m3 的压力容器，输煤管 从容器内部向上引出，在每个容器底部均设有流化 装置。输送管道为内径 10 mm 的不锈钢管，总长 53 m。输送管道的水平段、垂直段、水平弯管段和 垂直弯管段布置了 EJA110A 型差压变送器，精度为 0.065%。接收罐的 3 个支座上布置了 CHJL2 型荷重 变送器，精度为 0.5%[25]。实验过程中，压降、质量 等由传感器测量，经数据采集及控制系统记录保存， 形成原始实验数据，数据采样频率为 1 Hz。输送实 验物料为褐煤煤粉颗粒，其物性参数见表 1。
HE Chunhui，SHEN Xianglin，ZHOU Haijun
(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of the Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, China)
第 65 卷 第 3 期 2014 年 3 月
化工学报 CIESC Journal
Vol.65 No.3
Ma·rch82200·14
煤粉高压密相气力输送稳定性分析
贺春辉，沈湘林，周海军
（东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096）
摘要：在自主研发的密相气力输送实验装置上，以 N2 作输送载气，以 3 种不同粒径的褐煤作输送物料进行输送实 验，运用域重标分析方法对水平管差压信号和料罐质量脉动序列进行了 Hurst 指数分析，并采用统计学方法对料
Abstract：Based on a self-developed dense phase pneumatic conveying system, conveying tests of three lignite pulverized coal with different mean particle sizes using N2 as carrier gas were carried out. The Hurst exponents of pressure drop fluctuation signals in horizontal pipe and mass pulsations of material storage tank were calculated using rescaled range analysis. The standard deviations of mass pulsations were analyzed. The Hurst exponent and standard deviation were used as an indicator of conveying stability. The flow stability of conveying pipe was well characterized by Hurst exponents of pressure drop fluctuation signals (Hdp), while the discharge stability of material tank was not well characterized by Hurst exponents of mass pulsations (Hma) and standard deviation analysis was required. Conveying stability was investigated according to the ratio of superficial gas velocity to saltation velocity (K). At the left side of K=1.5, Hdp decreased with the decrease of K, the flow regime in gas-solids horizontal conveying pipe was changed and even caused a pipe blockage, the flow stability of conveying pipe became worse. Meanwhile, the standard deviation of mass pulsations increased as K decreased, the discharge
分层流和脉动流 0.40 < H < 0.80，移动沙丘流（大 于跃移速度时）0.80 < H < 1.10，密相输送 0.60 < H < 1.15。Jama 等[11]对稀相输送压力脉动信号进行了分 析，认为简单的统计指标可以用来估计输送不稳定 区域，进一步用域重标分析方法分析表明，Hurst 指数可作为判断输送不稳定的一个指标，他们认为 稳定流动的 Hurst 指数范围为 0.1＜H＜0.3，流动不 稳定时 H＜0.08。曹朱伟[10]、Cong 等[19]运用域重标 分析方法对以空气为载气的煤粉气力输送水平管压 力波动信号进行处理，分析了 Hurst 指数与表观气 速的关系，并结合高速摄像对水平管流型进行了研 究。Pahk 等[24]分析了气力输送压力信号 Hurst 指数 与输送固气质量比的关系，计算得到的 Hurst 指数 均大于 0.5，总体上 Hurst 指数随固气比的增加而呈 减小趋势，分析认为均匀流占主导时，Hurst 指数随 固气比增加而增大，而脉动流占主导时，Hurst 指数 随固气比增加而减小。