气力输送系统与工程运用

管道技术属于气固两相流,已有百余年历史,曾在相当的一段时间里应用停留在对悬浮稀相管道的基础组成系统的主要装置部件和构造改进上,以期解决耗能大,的破碎,管道等部件的磨损以及管道的堵塞等在实际使用中出现的问题.在20世纪后期20余年中,低速密相气力输送技术的成功,使气力输送技术从机理,应用上均有一个新的质的突破.使气力输送技术机械化,自动化,大容量化,合理化运输成为可能,同时由于计算机技术的飞速发展,使以往感到棘手的气力输送过程管道中的复杂流态可以通过流动机构模型的建立用数值统计进行计算,使不断深化和定量化;同时,由于制造技术和材料技术的飞跃发展,控制技术和传感技术的长足进步及引用,使低速密相气力输送技术在众多的产业领域成功地被应用,从而解决了以往破碎,管道磨损,高耗能等问题,并提高了系统的可靠性和工程的确经济性.

一与工程运用导论

气力输送工程技术是一项综合技术，涉及流体力学、材料科学、自动化技术、制造技术等领域，属高新技术项目, 气力输送技术是典型的物流系统之一,是现代物流技术和装备中不可缺少的一个组成分支! 具有以下特点：
　　1:气力输送是全封闭型管道输送系统
　　2:布置灵活
　　3:无二次污染
　　4:高放节能,维护费用低
　　5:便于物料输送和回收、为无泄漏输送
　　6:气力输送系统以强大的优势。将取代传统的各种机械输送。
　　7:计算机控制，自动化程度高
气力输送技术广泛应用于石油、化工、冶金、建材、粮食等部门，具有能耗低、自动化程度高、可连续运行、环境污染小等诸多优点，是适合散料输送的一种先进技术。它是一门年轻且应用前景广泛的跨学科的新技术,其应用正方兴未艾的发展! 气力输送系统是利用有压气体作为载体在密封的管道中达到输送散料或成型物品的目的.它有别于常见的输水、输油和输气等单相流输送管道,属于气固、液固等两相输送技术.

二气力输送系统的基本构成

2.1气力输送系统的基本构成
气力输送系统一般由五个部分构成：发送器、输送管道、灰库、动力源、控制。工作过程大致可以分以下四个阶段:进料阶段、流化阶段、输送阶段、吹扫阶段.
A)进料阶段:物料经重力或卸料机落入壳体内,当料位上升至使料位计发出料满信号时(或按系统设定进料时间控制),自动关闭进料阀和平衡阀,完成进料阶段;
B)流化加压阶段:当进料阶段完成后,自动开启进气阀,经过处理的洁净压缩空气经流量阀进入仓泵壳体底部,扩散后穿过流化盘,使空气均匀地包围在每一粒物料周围,同时壳体内压力上升.
C)输送阶段:当壳体内压力上升到系统设定值时,压力传感器发出信号,自动开户出料阀,流化盘上方的物料流化加强并开始输送,物料始终处于边流化边进入管道进行输送;
D)清扫阶段:当仓泵内的物料输送完毕时,仓泵内的压力不断下降,当压力下降到设定值时,指示物料输送完毕,延续一段时间,压缩空气清扫管道.然后关闭进气阀和出料阀,打开平衡阀,待泵内压力为大气压时打开进料阀,全自动入下一工作循环.
经过几十年的发展，气力输送技术日臻成熟，演化出负压系统(吸送式气力输送)、微正压系统(压送试气力输送)、正压单仓泵系统、正压单多泵系统等多种形式（统称为常规气力输送系统），其广泛应用为国民经济事业作出了不可磨灭的贡献。常规气力输送系统的输送管道均为单管结构，其余各部分因类型而异.
2.2气力输送形式
　·气力输送系统按类型分：正压、负压、正负压组合系统
　·正压气力输送系统：一般工作压力为0.1~0.5MPa
　·负压气力输送系统：一般工作压力为-0.04~-0.08 MPa
　·按输送形式分：浓相、半浓相、稀相等系统。
2.3气力输送系统功能表

三气力输送基本方法

　　3.1密相输送：
　　密相输送分为发送罐输送和旋转阀输送。发送罐输送是通过将发送罐加压至一定压力，采用切换出料阀及气刀对物料进行分配(物料在管道中呈柱塞状态)来实现输送的。这种输送气流速度较低而较高，输送气压力较高。输送气体常采用空气或氮气，动力一般由压缩机提供。主要特点为输送速度低，对物料品质影响较小。旋转阀密相输送是采用稀相正压输送方式，而动力采用压缩机提供。系统具有较高压力、较低流速但输送能力大，对物料几乎无影响。

　3.2密相输送通常有如下组合：
　　3.2.1:固态密相
　　常用于单点供料、长距离输送。适用输送脆性、磨蚀性大的物料。在管线中几乎充满了以柱塞流动方式向前移动的物料。在管线中以低速、高密度的方式输送物料。
　　3.2.2:不连续密相
　　常用于单点供料，较长距离输送。管线中几乎充满了以柱塞流动方式向前移动的物料。管道磨蚀小、物料不易破碎。—般为正压输送。　　
正压输送系统是以压缩空气把大量物料输送至较远距离的一种节能输送方式。
　　其气源采用压缩风机。
　　根据输送物料的不同，和布置形式的不同，需进行严格的气力输送计算。正压系统有多种不同形式的输送方式。其方式为：
　　通过星形锁气器的给料方式、将排入管道中的物料输入储料库。
　　通过锁气器的给料方式，将排入管道中的物料输入储料库。
　　组合的负压/正压输送系统由负压系统将近距离的多点物料输送到集料斗中，再由集料斗下部设置的仓泵将物料输入储料库或其它接收点。
　　3.2.3:连续密相
　　多点供料，单点出料的输送方式。物料在管线中输送速度低于悬俘速度，适合输送粉末和小颗粒的物料。
　　3.2稀相输送：
　　稀相输送通常采用较高的气流速度和较低的固气比，输送距离可达数百米。输送气体常采用空气或氮气，动力一般由提供，物料在管道中呈悬浮状态。输送方式分为压送(正压)式和吸送(负压)式，压送式输送主要特点为输送量大，输送距离长，操作稳定。吸送式输送主要特点为可从低处(或散装处)、多点向高处、一点输送。压送和吸送可进行组合输送要求。适用于多点供料单点出料的输送方式。物料输送速度高于悬浮速度。适合输送粉末物料。一般采用负压输送方式。
3.2.1　供气压力 　　
　　空压机（风机）排气压力等于输送线路的压降加上供料器、收尘器、阀等压降之和，再乘以一个系数（约为1.1）；如果空压机(风机)和供料器之间管道较长(如超过５０ｍ)，还需加上传递压损；在供气线路中调节空气量装置如节流喷嘴等的压损也须考虑进去。
3.2.2　体积流量 　
　　如果空气的质量流量 ma(ｋｇ／ｓ)已确定，那末可用近似方法求得标准状态下的体积流量Ｖ0(ｍ３／ｓ) ，见式(１)。　
　　Ｖ0＝０．８１６ｍａ　　　　　　　 (１)
 体积流量也可通过输送空气初始速度来表达。首先依据输送参数(由理想气体定律产生)可计算输送空气初始速度；然后根据式(２)可求得Ｖ0值，见式(４)。　　　　　
　　ｖ＝４ｐ0ＶｏＴ／πｄ２ｐＴｏ　　　　 (２)
式中：ｖ--输送空气初始速度ｍ／ｓ；
ｐ0--标准大气压，１０１．３ｋＰａ；
Ｔ--输送空气温度，Ｋ；
ｄ--管道内径，ｍ；
ｐ--管道起始端空气压力，ｋＰａ；

Ｔ0--标准空气温度，２８８Ｋ。
由式(２)得到(３)：
　　　　　Ｖ0＝πｄ２ｐＴ0ｖ／４ｐ0Ｔ　　　　　(３)
将ｐ0和Ｔ0值代入(３)得：
　　　　Ｖ0＝２．２３ｄ２ｐｖ／Ｔ　　　　　(４)
　　需要说明的是Ｖ′Ｏ值是在管道内输送物料所需空气的体积流量，而所选空压机风机排气量必须考虑供料器和管道阀门等的泄漏量。对正压系统来说，旋转叶片供料器的空气泄漏量约为鼓风机排气量的１５％～２０％，而双翻板阀供料器的空气泄漏量约为鼓风机排气量的１０％。
　　3.2.3　压力适用范围
　　正压系统中各类空压机(风机)的压力适用范围:对低压系统 ( 约１０ｋＰａ),，轴流式或离心式风机都是适宜的，具体选择取决于系统负荷和需要的操作压力特性。这类风机常用于稀相输送，作为文丘里式和旋转叶片供料器的供气源，系统中使用薄壁管道。　　
　　当排气压力小于１００ｋＰａ时，广泛使用罗茨鼓风机。该类型具有宽广的体积流量范围并能提供无油空气。此外，它有恒定的速度曲线，当传递压力增加时，体积流量仅轻微减少，从而保证了物料在一定压力下的悬浮流动状态。
　　当排气压力大于１００ｋＰａ时，往复式和螺杆式空压机都能满足气力输送系统中所需压力。单级回转滑片式空压机的工作压力可达到４００ｋＰａ(表压)。
　　真空泵，因为这类设备选用比较少。对负压系统，如真空不是太大，常使用离心式通风机和罗茨鼓风机；对于较高真空，则采用水环或液环式真空泵。
　　3.2.4经济性分析
　　当几种气力输送系统都适用于某一具体应用时，这里主要以仓式泵的实测数据为例，证实通过选择罐尺寸和操作压力可大大降低能耗和操作费用。
　　3.2.4.1　投资费用
　　总的来说，高压密相输送中空压机和供料器的价格比较昂贵；低压稀相输送系统中管道和收尘器的费用较贵。当输送距离小于５０ｍ，使用稀相系统的投资费用低；超过５０ｍ，密相系统的投资费用较低。对磨琢性物料的输送，用能周期性更换的零件如弯管等代替昂贵的耐磨合金零件可降低投资费用。
　　3.2.4.2　操作费用
　　主要动力费用来自空压机，其次是旋转叶片供料器和螺旋泵及袋除尘器，其它设备的动力消耗相对空压机来说是很小的。
使用集中气源可减少系统投资费用，但其操作费用比单独供气要高得多。如工厂集中气源压力为(６００～７００)ｋＰａ，而气力输送系统所需压力仅为１００ｋＰａ，则使用集中供气费用要比单独供气高出一倍左右。如果必须使用集中供气，那末高压空气将主要用于仓式泵和分级管道。
　　密相系统的操作费用总是较低的。当输送距离为５０ｍ时，稀相输送操作费用是密相输送的５倍以上(依据仓式泵使用情况)；随输送距离增大，这个差异将减少。操作费用主要来自电机的功率消耗，可用式(５)进行粗略估算。
　　Ｐ＝１６５ｍａ１ｎ(ｐ１／ｐ２)　　　　(５)
　　或Ｐ＝２０２ＶＯ１ｎ(ｐ１／ｐ２)　　　(５－１)
式中：Ｐ--电机消耗功率，ｋＷ
ｐ１--空气进气压力，ｋＰａ(绝对)
ｐ２--空气排气压力，ｋＰａ(绝对)
 电机消耗功率乘以单位电价即为每小时操作费用。
　　3.2.4.3　仓式泵实测结果
　　3.2.4.3.1　罐尺寸
　　仓式泵的压力罐容积ＶＢ影响系统所需能量。在双仓系统中，ＶＢ,ｇｅｓ是二个相同的单罐容积之和(＝２ＶＢ)。输送水泥时空压机输出压力为ｐｖ＝４００ｋＰａ(表压)，输送粉煤灰时空压机输出压力为ｐｖ＝３００ｋＰａ(表压)。
　　当罐尺寸大于临界容积时，其功率消耗独立于罐尺寸；当罐尺寸小于临界容积并降至容积时，相应的无效时间会成倍增加。为了完成给定的额定输送量Ｇｅ，就需要在剩余的输送时间内用一个较高的实际输送量ＧＳ来补偿。
　　双仓系统(一个罐加压和输送，另一个罐排气和进料)罐的临界容积比单仓系统罐的临界容积低。双仓系统比单仓系统的能耗更低。
　　从能量观点来看，罐容积就是其临界容积。粉煤灰和水泥相比，粉煤灰具有流动和输送性能，其能耗也明显减少。

四内旁通密相输送系统

4.1一般原理：
气力输送系统其构成不尽相同，各有特色，但存在着共同的缺点：
悬浮输送、流流速高、末端流速可达：25-30m/s即90-108km/h
磨损严重，磨损正比于速度的3次方
备品备件更换频繁，一般不超过3个月
灰气比小、稀相、运行成本高
存在堵管的隐患
为了解决技术问题,国外发展起来的一些先进气力输送技术内旁通密相输送系统是其中之一
内旁通密相气力输送系统是20世纪80年代在国外发展起来的一种先进气力输送技术，内旁通密相系统利用气固两相流、管道沉积流自动切割的原理，以往气力输送系统大管道、高流速、高磨损、低出力、堵管等问题。

　　内旁通密相气力输送系统的输灰管道由主输送管和内旁通管组成、内旁通管上设有引流-阻尼隔板、通过输送管道的自调节实现飞灰的率流稳态输送。当输送空气进入管道，内旁通管内的空气在主管道上形成紊流，将主管内聚集的飞灰分割成沙丘状料段。低速输送状态下，随着输送管道距离的增长，飞灰紊流流动状态被破坏，管道的底面出现了飞灰积聚，从而在此形成实增的阻力，使进入旁通这两点飞灰的压力，空气重新流入主输送管并在此区域再度形成紊流：这样料段不断分割、移动、吹散、管道内紊流破坏后再形成，不断重复，将物料向前输送。
基于内旁通密相气力输送系统的特点，系统可以在较低的输送速度下进行高灰气比的输送。低流速大大减少了飞灰对管壁的磨损，系统的维护量大大降低。高灰气比减小了输送空压机容量，系统能耗低。
特点：
系统的工作压力通常200-300KPa
先进的内旁通输送管专利技术

适中的灰斗下空间
多灰斗、大机组
高的混合比
输送距离可达1500米
不堵管
几乎不产生磨损
低能耗
以发送罐代替了除尘器灰斗，排除了除尘器灰斗下灰不畅的缺陷。
常规气力输送系统与内旁通输送系统的比较

常规气力输送系统与内旁通输送系统的经济性比较

五系统设计

5.1 长期稳定运行的基本条件
气力输送是利用气体将散料沿着管道从A处输送到B处，看似非常简单，但在实际运行中很多系统存在：a)能耗大、零部件磨损严重、寿命短、散料破碎率高等问题；b)管道堵塞、达不到出力要求等缺馅。气力输送系统能否长期稳定运行取决于系统设计及零部件质量。
系统设计主要是基于所送散料料性的输送管道设计（包括沿输送方向的变径），从而保证系统运行稳定可靠及为零部件创造出良好的工作环境，延长其使用寿命。
部件质量主要是指气力输送系统中的关键零部件的选择及整体系统的组合质量。

5.2　系统的设计
气力除灰究其本质属气固两相流，其内部机理非常复杂。虽然气力除灰技术在国内外已应用了几十年，但其设计计算基本上还处在手工阶段。由于气固两相流的理论非常复杂，计算量庞大，为了简化设计，国内出台了火力发电厂气力除灰系统设计规范，但是多为粗线条的定性指导，而非定量计算公式，其设计模式也是查表，插值等手算方式。手算误差圈较大，因计算量庞大、人工难以胜任等. 为提高系统的经济性、可靠性。除灰系统的设计要做好以下设计：

1、系统设计。计算出设计出力下的系统配置：管径、变径点、气灰比、压力分布、温度分布、速度分布、功耗等。

2、系统寻优。得出经济运行工况以及相应的系统配置、输送气量等。

3、非设计工况下的校核计算。在同样的系统配置（管径、变径点等）、但不同的外界条件下（如输送气量、灰温、风速、环境温度等），校核能否正常输送、气灰比、压力分布、温度分布、流速分布等。

六控制系统基本设计

6.1、系统构成
系统的控制系统由操作台和模拟显示屏、PLC控制柜，以及仓泵旁边的现场控制箱组成。
通过操作台上的二位选择开关（自动、停止）、现场控制箱上的二位选择开关（现场、），可以选择气力输灰系统的二种运行方式，即自动方式和停止（现场手动方式）。
l 操作台二位开关拨到自动位置，所有仓泵连续循环输送。
l 操作台二位开关拨到停止位置，仓泵停止循环输送。但此时现场控制箱的二位开关拨到现场位置，可以由人工操作某个电磁阀的动作。

在自动工作方式下，操作台上的二位选择开关转到自动位置，同时现场控制箱上的二位选择开关转到位置，系统将根据预先设定的程序自动控制相应的输送仓泵连续循环工作；在停止（现场手动方式）下，操作台上的二位选择开关转到停止位置，现场控制箱上的二位选择开关转到现场位置，可以通过现场控制箱上的按钮控制指定阀门或设备的动作。
正常情况下，气力输灰系统工作在自动运行方式下。现场手动方式主要用于系统调试、设备检修或故障排除。
控制系统结构图如下所示：

系统具有各种报警功能。如果发生堵管、气源压力低、灰库料满等，系统将通过声音和指示灯进行报警。在自动运行方式下，如果现场操作箱的二位选择开关（现场、）没有转到位置，操作台上的相应指示灯会亮，同时发出声音报警，提醒操作人员系统不具备自动运行的条件，并及时将现场操作箱的二位选择开关转到正确位置。
此外通过系统设置的自诊断功能，可以在线诊断系统各部分的工作情况。当某个料位计、进料阀、出料阀、平衡阀或压力开关出现异常状态，甚至出现故障时，自诊断系统会发现问题所在，同时提醒设备维护人员及时处理。
6.2、系统仪表配置
l 仓泵配置一只带远程显示功能的压力表和一只料位计
l 灰库配置一只料位计
l 气源配置一只带远程显示功能的压力表
l 每根输灰管配置两只压力开关
6.3、模拟显示屏和操作台
显示装置和操作台。安装一只二位选择开关、一只蜂鸣器消音按钮，以及指示灯等。构成系统的模拟显示屏和操作台。
人员通过模拟显示屏可以动态的了解整个气力输灰系统以及各部分的实时工作状态。并通过操作台控制整个系统的工作方式。
6.4、PLC控制柜
西门子的S7-200 CPU224 系统及系统的I/O点统计如下：

根据上面的I/O点统计结果，PLC系统配置如下：
l CPU模块：CPU224交流供电，继电器输出        1块
l 16DI/16DO模块：EM223，8DI/8DO，继电器输出    1块
l 存储模块：                                    1块
6.5、现场控制箱
系统有一个现场控制箱，仓泵的现场控制箱上有一只二位选择开关、带自琐和人工复位的按钮、状态指示灯。其中二位选择开关用于选择或现场就地操作。如果选择现场方式，则将无法进行自动控制，此时可以通过操作箱上的控制按钮，人工控制相应电磁阀的动作，此时操纵台上的二位选择开关处于停止位置，否则系统会报警；如果选择方式，则现场操作箱上的控制按钮将不起作用。
6.6、电气设备清单

附图1：系统供电图
附图2：PLC系统图
附图3：仓泵现场控制箱电气原理图

6.7 PLC接口和状态说明