流体机械

堆积密度/(kg·m^-3)	初始流化密度/(kg·m^-3)	平均粒径/μm	粒度分布φ/%
850	750	71.2	0.4	11.2	25	22.3	21.3	19.8

堆积密度/(kg·m^-3)	初始流化密度/(kg·m^-3)	平均粒径/μm	粒度分布φ/%
850	750	71.2	0.4	11.2	25	22.3	21.3	19.8

循环流化床立管-阀门系统压力脉动特性的试验研究

巴英达拉 ¹^,²^,³ , 贺娇 ¹^,² , 陈晓玲 ¹^,² , 刘梦溪 ¹^,² , 魏耀东 ¹^,² , 张玉明 ¹^,²

流体机械 | 试验研究 2025,53(10): 19-26

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流体机械 |试验研究 2025 , 53 (10) : 19 -26

循环流化床立管-阀门系统压力脉动特性的试验研究

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巴英达拉¹^,²^,³, 贺娇¹^,², 陈晓玲¹^,², 刘梦溪¹^,², 魏耀东¹^,², 张玉明¹^,²

作者信息

¹中国石油大学（北京）重质油全国重点实验室，北京 102249

²中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院，新疆克拉玛依 834000

³克拉玛依市特种设备安全检验所，新疆克拉玛依 834000

通讯作者:

张玉明（1985），男，教授，主要研究方向为重油、生物质等含碳燃料热转化反应基础研究与技术开发，通信地址：北京市昌平区府学路18号中国石油大学（北京）重质油全国重点实验室，E-mail：ymzhang@cup.edu.cn。

作者简介:

巴英达拉（1987），男，高级工程师，博士研究生，主要研究方向为重油、生物质等含碳燃料热转化反应基础研究与技术开发、过程强化与装备的科研工作，E-mail：2017591018@cupk.edu.cn。

Experimental study of pressure pulsation characteristics of standpipe-valve system in a circulating fluidized bed

Yingdala BA¹^,²^,³, Jiao HE¹^,², Xiaoling CHEN¹^,², Mengxi LIU¹^,², Yaodong WEI¹^,², Yuming ZHANG¹^,²

Affiliations

¹State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China

²Faculty of Engineering，China University of Petroleum（Beijing） at Karamay，Karamay 834000，China

³Karamay Special Equipment Safety Inspection Institute，Karamay 834000，China

出版时间: 2025-10-31 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.10.003

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摘要

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针对立管-阀门系统内颗粒循环下行过程中压力脉动特性不确定、缺乏定量表征的问题，开展了压力脉动特性的试验研究。通过改变颗粒质量流率，测量阀门前后（P1和P2测点）气固两相流的动态压力特性，并基于动态压力、静态压力、标准偏差及功率谱密度等分析方法，深入探究了立管-阀门系统内的压力脉动特性。结果表明，随着颗粒质量流率G_s由0增大至117.72 kg/（m²⋅s）时，系统内出现显著的低频高幅值的压力脉动现象，主要源于颗粒聚团、气固相互作用及气泡扰动的影响；P2点的动态压力的标准偏差与颗粒质量流率呈线性分布，标准偏差可用于对循环流化床的颗粒质量流率进行实时监测；当颗粒质量流率G_s=0时，立管上的P1和P2点均有一个主频，功率谱密度较小；随着颗粒质量流率增大至6.28 kg/（m²⋅s），P1和P2点均出现主频和次频的双频特征，P1点的功率谱密度随颗粒质量流率的增加先增大后减小，P2点的功率谱密度随颗粒质量流率的增加而增大；立管内的压力脉动均为低频压力（<0.41 Hz），是造成立管振动的激振力。研究可为循环流化床的颗粒循环系统的优化设计和安全运行提供理论依据和试验支撑。

关键词

循环流化床 / 立管-阀门系统 / 动态压力 / 标准偏差 / 功率谱密度

Abstract

收起

To address the issue of uncertain pressure pulsation characteristics during the cyclic downward movement of particles in a standpipe-valve system and the lack of quantitative characterization，an experimental study on pressure pulsation characteristics was conducted.By varying the particle mass flow rate，the dynamic pressure of the gas-solid two‑phase flow before and after the valve （at measuring points P1 and P2） was measured.Through analytical methods including dynamic pressure，static pressure，standard deviation，and power spectral density，the pressure fluctuation characteristics within the standpipe-valve system were thoroughly investigated.The results indicate that as the particle mass flow rate G_s increases from 0 to 117.72 kg/（m²⋅s），significant low‑frequency，high‑amplitude pressure fluctuations occur in the system，primarily due to particle clustering，gas‑solid interactions，and bubble disturbances.The standard deviation of the dynamic pressure at point P2 shows a linear relationship with the particle mass flow rate，suggesting that the standard deviation can be used for real‑time monitoring of the particle mass flow rate in circulating fluidized beds.When the particle mass flow rate G_s=0，both points P1 and P2 on the standpipe exhibit a single dominant frequency with relatively low power spectral density.As the particle mass flow rate increases to 6.28 kg/（m²⋅s），both P1 and P2 display dual‑frequency characteristics，comprising a primary frequency and a secondary frequency.The power spectral density at P1 initially increases and then decreases with increasing particle mass flow rate，while at P2，it increases with increasing particle mass flow rate.The pressure pulsations within the standpipe are all low‑frequency （<0.41 Hz） and act as the excitation force causing standpipe vibration.This study provides a theoretical basis and experimental support for the optimal design and safe operation of particle circulation systems in circulating fluidized beds.

Key words

circulating fluidized bed / standpipe-valve system / dynamic pressure / standard deviation / power spectral density

引用本文

巴英达拉, 贺娇, 陈晓玲, 刘梦溪, 魏耀东, 张玉明. 循环流化床立管-阀门系统压力脉动特性的试验研究. 流体机械, 2025 , 53 (10) : 19 -26 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.10.003

Yingdala BA, Jiao HE, Xiaoling CHEN, Mengxi LIU, Yaodong WEI, Yuming ZHANG. Experimental study of pressure pulsation characteristics of standpipe-valve system in a circulating fluidized bed[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (10) : 19 -26 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.10.003

正文

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0　引言

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循环流化床中的颗粒在封闭回路中循环流动，形成完整的气固输送系统^［1-4］。其中，立管不仅是颗粒循环回路中下行输送的管道，还承担着维持颗粒循环系统压力平衡的作用^［5-6］。在循环过程中，颗粒完成气固反应、热量传递、颗粒回收等主要过程^［7］。此外，立管上通常安装有阀门，构成立管-阀门系统，用于调节循环颗粒的质量流率。例如，流化催化裂化（fluid catalyst cracking，FCC）装置中，待生立管-滑阀系统和再生立管-滑阀系统协同调控沉降器中的待生催化剂和再生器中的再生催化剂的输送量，从而调节再生器内的烧焦反应和提升管反应器内的油气裂化反应过程^［8-10］。催化裂化装置如图1所示。

立管-阀门系统是循环流化床颗粒循环回路的重要组成部分，其功能包括调节颗粒循环的压力平衡、稳定颗粒输送流率及控制气体的单向流动等作用。影响立管-阀门系统操作的主要因素为颗粒质量流率和阀门开度，两者变化会导致立管-阀门系统内的气固两相流呈现复杂的动态特性，表现为压力脉动变化的强烈不稳定性。贺娇等^［11-12］通过试验验表明，立管内的流态有稀相流、密相流、过度填充流和填充流等多种形式。MA等^［13］和ZHOU等^［14-15］通过试验得出，立管内下行颗粒流动易形成间歇性股状流，导致低频压力脉动。陈勇等^［16］通过试验表明，立管上过阀门的颗粒流动和孔口排料较为相似，由立管内的压力脉动和流态可对插板阀进行调控。HE等^［17］的试验结果表明，颗粒质量流率与压力脉动的标准偏差存在对应关系，可以对颗粒质量流率进行测量。此外，立管出口与提升管反应器连接，要求出口具有锁料排气的作用，出口环境对立管出口排料的动态特性有重要影响。NAGASHIMA等^［18］建立了立管出口孔径和颗粒质量流率之间的关系，得到了立管负压差下稳定移动床流态的颗粒质量流率的预测模型。尽管上述研究针对立管内的流态、动态特性参数及出口结构对颗粒质量流率的影响进行考察，但对阀门开度与气固两相流动态压力特性的关联机制仍缺乏分析，大多局限于静态压力的分析。一般静态压力不能很好地揭示气固两相流的复杂现象，而动态压力信号能够实时反映立管内的流态变化，蕴含着气固两相流变化的关键信息，是颗粒特性、气泡动态特性的外在体现。通过对压力脉动参数的分析，可深入了解立管-阀门内的气固两相流体力学特征，从而对流态类型、流化质量等进行评定^［19-26］。

本文以大型循环流化床装置的立管-阀门系统为研究对象，通过调节立管上的阀门开度改变颗粒循环流率，测量不同操作条件下阀门前后的动态压力，对动态压力的压力脉动特性进行分析，考察立管内的流态与阀门开度之间的关系，以期提高循环流化床颗粒下行流动过程中气固两相流流动特性的认识，为循环流化床的颗粒循环系统的优化设计和安全运行提供理论依据和试验支撑。

1　试验装置和试验方法

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1.1　试验装置

循环流化床试验装置其结构如图2所示。该装置主要由罗茨风机提供流化风，颗粒和流化风由预提升器提升进入提升管，颗粒由旋风分离器分离后，从料腿返回流化床。颗粒再通过立管进入预提升器，完成一次颗粒全循环。立管上阀门控制由流化床进入提升管的颗粒质量流率。

试验过程中，待循环稳定后，关闭阀门，通过测量单位时间内颗粒的堆积量，由堆积密度计算颗粒质量流率。流化床尺寸为∅600 mm×10 000 mm，提升管尺寸为∅200 mm×12 000 mm，旋风分离器的直径为∅600 mm，料腿尺寸为∅150 mm×95 000 mm，立管尺寸为∅80 mm×3 160 mm，倾斜角度为45°。料腿出口淹没在流化床的密相床层内，确保颗粒顺利进入循环系统。为确保装置稳定性和试验观测需求，装置采用碳钢结构底座确保稳定性，其余主体部件均选用有机玻璃材质制作，便于直接观察颗粒流动状态及流态特性。

1.2　试验介质及操作条件

试验颗粒为FCC装置平衡催化剂，为Geldart A类颗粒，具有良好的流化及耐磨特性^［27］。如图3所示，催化剂颗粒扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）图像分析结果表明，催化剂颗粒呈良好的球形度，仅少部分颗粒存在磨损和破碎现象，颗粒表面保持相对光滑的形貌特征。

表1列出了FCC装置平衡催化剂物性参数。试验以催化裂化工艺的反应过程为例，采用对应的操作条件，设置预提升气速为6.33 m/s，颗粒质量流率在0~150 kg/（m²·s）范围内可调。由于试验条件限制，采用常温空气作为预提升气体。

1.3　试验方法

立管上的压力测量点阀前P1点和阀后P2点的位置如图4所示。

脉动压力测量试验采用CGYL-300B型多通道模拟信号采集仪，其量程为0~20 kPa，采集频率范围为0~1 000 Hz。该采集仪将压力信号转化为电信号，并在测压管接入端采用高压气体反吹，防止催化剂堵塞测压管，确保数据采集的准确性。试验过程中，采样时间为30 s，采样频率为200 Hz。

2　结果与讨论

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2.1　试验误差分析

为确保试验数据的可靠性，通过3次重复试验对测量点P1的动态压力进行了验证分析。试验在G_s=0（纯气相）的操作条件下进行，3次试验获得的压力脉动曲线变化趋势和幅值范围高度吻合，如图5所示。同时对3次试验的平均压力进行定量分析，如图6所示。以第一次试验为基准，第二次和第三次试验的压力平均值偏差分别为1.4%和1.5%，最大偏差控制在5%以内。这一结果充分证明了试验数据具有良好的一致性和可重复性，有效控制了人为因素和随机误差的影响，完全满足试验精度的要求^［28-30］。

2.2　立管动态压力分析

图7示出立管-阀门系统在不同颗粒质量流率下的动态压力分布曲线。

从图可以看出，在G_s=0（纯气相）条件下，立管内仅存在气相流动，此时，立管内压力脉动主要受提升管内提升气体扰动影响，阀后测点P2相较于阀前测点P1表现出更为显著的高频低幅值脉动特征。随着催化剂颗粒的加入及阀门开度的增大，催化剂流经阀门，由于阀后的流化风逆向进入到阀前区域，其上行气体对立管内颗粒起到了流化作用。在此过程中，颗粒间聚团效应与气固两相的相互作用共同导致压力脉动幅度和静压值增大。随着G_s增大至117.72 kg/（m²⋅s）时，颗粒流动过程中的气泡扰动等动态行为促使压力脉动特征由高频低幅值转变为低频高幅值。

图8示出P1点和P2点在不同质量流率下的静态压力分布。可以看出，随着阀门开度的增大，阀门前后的压力及压差发生显著变化。具体表现为P2点的压力由初始低于P1点逐渐转变为高于P1点，即阀门前后的压差由正压差转变为负压差，同时G_s也逐渐增大。主要是由于阀门的节流约束作用，形成立管负压差操作的条件。当系统进入负压差操作后，导致立管阀门出口处的排料过程呈现明显的不稳定性特征，表现为动态压力的波动幅值显著增大，且阀后的压力波动的幅值明显大于阀前区域。

2.3　压力脉动的标准偏差分析

标准偏差S_d作为表征压力脉动强度的关键参数，常用来进行流化床压力脉动特性分析^［31-32］。在循环流化床工业生产过程中，立管-阀门系统中的颗粒质量流率G_s难以直接实时测量，而系统压力脉动信号可通过压力传感器实现在线监测。因此，通过对动态压力脉动的标准偏差进行分析，从而定量表征颗粒质量流率G_s的变化，该方法具有重要的工程应用价值，因为颗粒质量流率G_s的波动情况直接反应设备的运行状态，对工业装置的过程控制与优化至关重要。为定量分析压力脉动特征，将瞬时压力P分解成平均压力

P ¯

和波动值

P'

的和，相关计算式如下：

= P ¯ + P'

（1）

平均值

P ¯

的计算公式为：

P ¯ = 1 N ∑ i = 1 N P i

（2）

式中，P_i是瞬时压力P离散为N个点时，i点的数值。

任意一个测量点的标准偏差S_d为

S d = 1 N - 1 ∑ i = 1 N P i - P ¯ 2

（3）

图9示出立管标准偏差S_d随颗粒质量流率G_s的变化曲线。

当G_s=0时，P1和P2测点的S_d较小。随着G_s的增大，两测点的S_d呈差异化增长，P2点的S_d显著高于P1点，这是由阀门出料造成的。由于阀门的约束作用，P1点的S_d不能很好地反映颗粒质量流率G_s的变化，因此，颗粒质量流率和标准偏差没有线性关系；而P2点处的颗粒不受阀门约束的影响，其S_d能较好地反映G_s的变化，G_s与S_d呈线性分布。试验数据表明，在试验参数范围内，P2点的S_d随G_s增加而线性增长，表明可由标准偏差来表征颗粒质量流率并进行实时监测。

2.4　压力脉动的功率谱分析

功率谱密度（PSD）分析是研究气固两相流压力信号频域特性的有效手段，能够直观地反映压力信号的能量在频域上的分布特征^［33］。基于图5中的压力脉动信号进行功率谱密度分析，结果如图10所示。图中横坐标表示压力脉动频率，纵坐标表征各压力脉动频率的相对能量，其中，能量最大值对应的频率为主频，表明此时压力脉动主要由该频率起主导作用。

图10（a）示出不同颗粒质量流率下P1点的功率谱密度分布。可以看出，当G_s=0时，立管内为纯气相，P1点的功率谱密度图中无明显的主频，主要为来自于立管内气体的脉动，频带较宽，且PSD值较小；当颗粒质量流率增大至6.28 kg/（m²·s），图中出现两个频率峰值，高峰值对应主频，低峰值对应次频，表明立管-阀门系统内的压力脉动主要由主频和次频组成，脉动的频率较低，在0.26 Hz以内。随着G_s的持续增大，阀门约束效应减弱，所以功率谱密度逐渐增大。

图10（b）示出不同颗粒质量流率下P2点的功率谱密度分布。可以看出，当G_s=0时，其功率谱密度分布与P1点相似，没有明显的主频，同样受气体的脉动影响，频带较宽，PSD值较小；随着颗粒质量流率增大至6.28 kg/（m²·s），PSD值逐渐增大，基本呈双峰的分布形式，脉动的频率较低，在0.41 Hz以内，相较于P1点频率有所增大，但依然为低频压力分布。随着G_s的增加，由于立管内催化剂颗粒与气体充分混合接触，使得功率谱密度逐渐达到最大值。

2.5　压力脉动机理分析

对循环流化床立管-阀门系统上的动态压力进行测量和分析，结果表明，随着颗粒质量流率G_s的增大，阀门前后的P1和P2测点的动态压力波动显著增强，其中，阀后P2点的压力脉动幅度增长较为明显，最大幅值为1.6 kPa。由于压力脉动幅值的增大，会引发立管的振动，且振动强度随压力脉动幅值的增大而增强。立管内的气固两相流呈不稳定特性，这种不稳定性主要源于立管入口处的不稳定进料和出口处的窜气。这些因素导致在流动过程中形成大尺度的颗粒股和小尺度的颗粒团及分散小颗粒。颗粒团在流动过程中的聚并和破碎，造成了气固两相流动的压力脉动。立管入口处的进料并非连续均匀的而是呈股状进入立管，股状进料夹带着气泡，气泡在流动的过程中聚并形成大气泡或者破碎成小气泡，同样引起压力的波动。立管内不稳定的压力脉动对工业装置的影响主要有下列两方面。

（1）由于立管内压力脉动的标准偏差S_d与颗粒质量流率G_s呈线性分布，通过压力脉动信号的分析可对循环流化床内的颗粒质量流率数据进行提取，从而对工业装置的运行状况进行调控。

（2）压力脉动的功率谱密度分析表明，阀门前后均为低频脉动，工业循环流化床的立管为吸收温差产生的热应力，一般采用柔性连接，所以立管的固有频率较低。当立管内的气固两相流在流动过程中产生的压力脉动为低频高幅值压力脉动且与立管固有频率接近时，会形成随时间变化的激振力。这些激振力会诱发立管发生振动，在立管内产生交应变力。在装置运行过程中，当振动造成共振响应时，振动的幅值急剧增大，导致立管和提升管连接处的交应变力幅值直线上升，经过长时间的振动后，金属材料发生疲劳效应，导致立管断裂，造成装置非计划停工。因此，为了防止立管断裂，可增加立管和提升管连接处的拉杆支撑，以及增加立管的刚度，使立管内气固两相流的压力脉动的主频与立管的固有主频不等，从而有效避免形成共振响应。

3　结论

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基于一套大型循环流化床冷模试验装置，系统地考察了不同颗粒质量流率下立管-阀门系统内阀门前后P1和P2测点的压力脉动特性，主要结论如下。

（1）颗粒质量流率的增大会显著增强立管-阀门系统内的压力脉动。压力脉动呈低频高幅值的特征，其成因主要包括颗粒间的聚团、气固两相的相互作用及颗粒流动过程中不稳定下料形成气泡扰动。

（2）立管的压力脉动强度可通过动态压力的标准方差值S_d进行量化表征。随着颗粒质量流率G_s由0增大至117.72 kg/（m²·s），阀后动态压力的S_d与G_s呈线性增长，表明动态压力的标准偏差可作为循环流化床的颗粒质量流率的实时监测指标，为工业运行调控提供依据。

（3）功率谱密度分析表明，当颗粒质量流率G_s=0时，阀门前后均存在一个主频，主要来源于气体的脉动。随着颗粒质量流率增大至6.28 kg/（m²·s），阀门前后均存在主、次两个频率，阀门前的功率谱密度随颗粒质量流率的增加先增大后减小，阀门后的的功率谱密度随颗粒质量流率的增加而增加。

（4）立管内的压力脉动均为低频压力（<0.41 Hz），是造成立管振动的激振力。由于工业循环流化床立管的固有频率较低，通过增加拉杆支撑和增加立管的刚度，使立管内气固两相流压力脉动的主频与立管的固有主频不等，避免形成共振响应，造成立管断裂。

参考文献

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文献

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2025年第53卷第10期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.10.003

接收时间：2025-02-17
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-10-31

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收稿日期：2025-02-17
修回日期：2025-07-25

基金

作者信息

¹中国石油大学（北京）重质油全国重点实验室，北京 102249

²中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院，新疆克拉玛依 834000

³克拉玛依市特种设备安全检验所，新疆克拉玛依 834000

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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