非预混旋流燃烧热声不稳定性的机理及控制研究

非预混旋流燃烧热声不稳定性的机理及控制研究随着中国石油、天然气资源的开发,近年来我国能源结构中燃油燃气的比重也逐渐增加,但是基于"多煤、少气、贫油"的能源格局,和世界范围内的日益严苛的污染物排放标准,燃气蒸汽联合循环和整体煤气化联合循环应用和增长空间非常巨大。燃气轮机是联合循环包括煤气化联合循环的最关键技术,但是燃机贫燃预混技术容易诱发燃烧热声振动现象,燃烧热声振动不只存在于预混燃烧的燃机发电中,应用非预混燃烧的油气燃烧锅炉也有诱发燃烧不稳定性的可能。

目前国内外基于预混燃烧的热声不稳定的理论和控制技术研究较多,但是对非预混燃烧的研究相对较少,尤其是涉及到旋流器等多稳燃装置的锅炉中的非预混旋流燃烧。基于此着眼于非预混旋流燃烧热声不稳定特性的机理和控制方法研究是十分有必要的。

本文首先开展了不同横向射流介质,燃料配比以及烟气再循环条件燃烧热声不稳定的特性研究,利用压力脉动分析,火焰传递函数分布以及火焰和阴影图像分析了燃烧振动特性。横向射流介质为N2时横向射流比和当量比对燃烧的压力和热释放脉动影响依赖于合适的工况才能促进或阻碍两者之间的耦合关系。

横向射流介质为CO₂时不同当量比下随着横向射流比增加火焰的热释放脉动趋势基本一致,拟合的火焰热释放脉动变化趋势线逐渐走向平稳并达到非线性饱和,当量比越大火焰热释放脉动饱和以及火焰传递函数响应对应的临界横向射流比均越大,涡脱落频率接近声学激励频率并和热释放率耦合也存在一个临界横向射流比。而横向射流介质为CH4时,随着横向射流比的增加,低当量比下压力脉动幅值存在一个降幅最大的波谷。

不同横向射流介质均存在能够降低燃烧热声振动幅值的最佳工况点。甲烷和

丙烷配比燃烧时随着甲烷比例和横向射流比增加压力脉动振幅变化均呈逐渐降低趋势,而一氧化碳和丙烷配比燃烧时随着CO掺混比例的增加,燃烧室压力脉动振幅逐渐降低,并在10%时达到最低后保持不变。

烟气再循环条件下的压力脉动幅值最小的工况发生在横向射流比J为3.6和CO₂掺杂比例为10%时,不同的CO₂掺混比例表现出不同的线性或非线性响应特征。其次开展了分别在燃烧室壁面和进气管路施加声场激励时燃烧热声不稳定特性的研究,采用压力脉动分析,火焰传递函数分布,火焰和阴影图像以及庞加莱映射图像轨迹分析燃烧振动特性。

当在燃烧室施加声场扰动时,横向射流比对压力脉动主频振幅影响不大;不同横向射流比下火焰的热释放脉动随着激励振幅变化呈波动趋势和非线性响应特征,激励频率大于270Hz以后的火焰热释放脉动主要是由横向射流干扰;火焰热释放脉动在振幅激励下趋于饱和的现象仍然存在但依赖于激励频率,不同激励频率下火焰热释放脉动最强烈所对应的横向射流比不同。当在进气管路施加声场扰动时,横向射流比对燃烧室内压力脉动影响不大,进气管路声波直接影响到当量比脉动,对火焰的热释放响应影响较大,致使热释放脉动和压力脉动同频同相耦合性较好,50Hz和135Hz激励频率在较低横向射流比下随着激励振幅的变化火焰传递函数呈现非线性响应,100Hz激励频率下火焰对不同横向射流比扰动则呈现线性响应特征。

庞加莱映射图像在不同的声场扰动下具有不同的声场激励谐波响应特征。最后在分析卡门涡街和旋流涡系对燃烧不稳定性影响的基础上,开展了一款实际电站锅炉运行中的非预混旋流燃烧器燃烧振动特性的测试研究,并且在实验室规模下对其进行模化,分析改变燃烧室结构以及施加横向射流扰动时对燃烧热声振动

特性的影响,如改变燃烧器进气管段进风方式和长度,去除火焰分割板,移动旋流盘等。

认为热驱动型热声振动存在但是并不是诱发热声不稳定的主要原因,去除火焰分割板后燃烧室的压力脉动程度有所降低,但是仍有压力和热释放脉动耦合的可能,取决于涡结构与火焰的相互影响。在移动旋流盘的过程中旋流方位角脉动,以及火焰和涡系之间的相互作用对燃烧热声不稳定特性都有重要的影响。

横向射流比扰动控制方式对此燃烧室压力脉动影响不大,原因在于横向射流喷嘴位置较高并没有破坏到火焰的涡结构。通过对此实际尺寸的燃烧器/炉膛系统热声振动分析,认为诱发锅炉振动的主要控制机制是压力和热释放脉动之间的相位差,ms量级的时间调制即可对压力脉动和热释放脉动的耦合产生强烈的影响。

对燃烧过程自激热声不稳定的控制,可以通过改变燃烧器本身的湍流结构来进行调节。