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燃烧诱发热声不稳定特性及控制研究

李国能  
【摘要】:在动力领域,燃气轮机由于其结构紧凑、工作可靠和功率输出范围大等优点,特别是随着整体煤气化联合循环(IGCC)技术的成熟,燃气轮机将被大量使用。随着人们对环保要求的日益提高,燃气轮机普遍采用了贫燃预混燃烧技术来降低NOx的排放水平,但是这种技术往往使得燃气轮机在工作中激发起燃烧热声不稳定,即大振幅的低频压力振荡。当热声不稳定足够强烈时,将导致系统设备疲劳损伤,降低燃烧效率,增加污染物排放,甚至产生事故熄火等。 本文主要研究燃烧诱发的热声不稳定特性及其控制方法。在Rijke型燃烧器和旋流燃烧器上,分别采用了试验研究手段和数值模拟方法,研究了化学当量比、进气速度、旋流强度等系统参数对这两种燃烧器的热声不稳定特性的影响;进而在旋流燃烧器上采用了横向射流的湍流拟序结构干预燃烧过程激发的热声不稳定,研究其控制效果以及对烟气排放特性和燃烧效率的影响。 首先,研究了Rijke型燃烧器的热声不稳定特性。Rijke型燃烧器内热声不稳定达到极限周期振荡时的压力信号为时不变信号,类似正弦波;起振过程包括了初始激发、振幅剧烈增长和压力波形微调3个阶段。热声不稳定的主峰振幅随着化学当量比的增加而增加,在化学当量比为1.1时激发了最大的热声不稳定振幅,然后随着化学当量比的增加而降低。另外,热声不稳定的主峰振幅随着进气速度的增加而迅速增大,在uRijke0.1 m/s时,其变化规律接近线性,但是其线性规律受化学当量比的影响很大。 其次,采用计算流体力学(CFD)方法研究了Rijke管自激热声不稳定,模拟得到的声压级为156 dB,共振频率为294 Hz;与试验声压级147 dB,共振频率269 Hz基本一致;在考虑管壁散热后,模拟得到的声压级为157 dB,共振频率为269 Hz。Rijke管的起振温差与进口的边界条件有重要关系,临界起振温差在240 K到290 K之间,共振频率随着进气温度的上升不断增加。工质种类对热声不稳定的起振速度影响不大,但对振幅和频率均有重要的影响,CH4作为工质时获得的热声不稳定共振频率最大,为391 Hz,振幅最低,为159 dB;SO2作为工质时获得的热声不稳定的共振频率最小,为195 Hz,振幅最大,为164 dB。进气速度的大小对Rijke管热声不稳定起振速度有重要的影响,越大的进气速度,热声不稳定的起振速度越慢。 然后,研究了旋流燃烧器的热声不稳定特性。旋流燃烧器激发的热声不稳定的最大振幅发生在贫燃区域内的某个化学当量下,继续增大或减小化学当量比时,热声不稳定的振幅都将下降,但燃烧效率随着化学当量比的增加而不断增加。随着进气速度的增加,热声不稳定的有效压力振幅和共振频率不断增加。当进气速度为39.81 m/s,化学当量比为0.9时,系统激发起166.4 dB的热声不稳定。另外,随着旋流强度的减小,热声不稳定的主峰压力振幅和有效压力振幅迅速下降,燃烧效率随之下降。 再次,研究了横向射流(JICF)在旋流燃烧器热声不稳定的控制效果,试验的空气流率QAir为1333.3 ml/s,化学当量比φ为0.9,旋流强度Sw为0.77。JICF能够大幅度降低旋流燃烧器的热声不稳定强度,所占用的空气流率比例XJJCF小。当XJICF=6%时,热声不稳定的有效压力振幅从1712 Pa降到185 Pa,降低了89.2%;控制前的热声不稳定的共振频率为233Hz,控制后的共振频率为254 Hz,稍微有所提高。在没有加入JICF时,系统的燃烧效率为81.68%;当XJJCF=6%时,系统的燃烧效率为96.69%,提高了15.01%. JICF的控制效果远远优于横向火焰射流(JFCF), JFCF需要在燃料流率比例XJFCF50%时,其有效压力振幅才能获得大于32.5%的控制效果。 最后,采用数值模拟方法研究了旋流燃烧器的燃烧过程和热声不稳定特性,模拟得到的主要气体组分和污染物排放水平与试验数据基本一致。模拟得到的NOx排放浓度为23.4ppm,比试验结果高出3.92 ppm。热声不稳定共振频率为273Hz,主峰压力振幅为1191 Pa,而共振频率的试验结果是222 Hz,主峰压力振幅为1108 Pa,数值模拟结果与试验数据基本一致。另外,模拟结果发现脉动速度领先脉动压力四分之一周期,速度的脉动幅度很大,达4.25 m/s,比平均值2.45 m/s大73%,说明由于旋流燃烧器激发的热声不稳定导致了燃烧室内出现瞬间的逆向流动现象。 根据上述的研究,本文提供了Rijke型燃烧器和旋流燃烧器中由于燃烧诱发的热声不稳定的特性,以及提出了一种控制旋流燃烧器热声不稳定的有效可行的方法,为燃气轮机的设计开发和安全运行提供了重要的基础研究数据。


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