非預混旋流燃燒熱聲不穩(wěn)定性的機理及控制研究.pdf

1、隨著中國石油、天然氣資源的開發(fā)，近年來我國能源結構中燃油燃氣的比重也逐漸增加，但是基于“多煤、少氣、貧油”的能源格局，和世界范圍內的日益嚴苛的污染物排放標準，燃氣蒸汽聯合循環(huán)和整體煤氣化聯合循環(huán)應用和增長空間非常巨大。燃氣輪機是聯合循環(huán)包括煤氣化聯合循環(huán)的最關鍵技術，但是燃機貧燃預混技術容易誘發(fā)燃燒熱聲振動現象，燃燒熱聲振動不只存在于預混燃燒的燃機發(fā)電中，應用非預混燃燒的油氣燃燒鍋爐也有誘發(fā)燃燒不穩(wěn)定性的可能。目前國內外基于預混燃燒的熱

2、聲不穩(wěn)定的理論和控制技術研究較多，但是對非預混燃燒的研究相對較少，尤其是涉及到旋流器等多穩(wěn)燃裝置的鍋爐中的非預混旋流燃燒?；诖酥塾诜穷A混旋流燃燒熱聲不穩(wěn)定特性的機理和控制方法研究是十分有必要的。
　　本研究開展了不同橫向射流介質，燃料配比以及煙氣再循環(huán)條件燃燒熱聲不穩(wěn)定的特性研究，利用壓力脈動分析，火焰?zhèn)鬟f函數分布以及火焰和陰影圖像分析了燃燒振動特性。橫向射流介質為N2時橫向射流比和當量比對燃燒的壓力和熱釋放脈動影響依賴于合適

3、的工況才能促進或阻礙兩者之間的耦合關系。橫向射流介質為CO2時不同當量比下隨著橫向射流比增加火焰的熱釋放脈動趨勢基本一致，擬合的火焰熱釋放脈動變化趨勢線逐漸走向平穩(wěn)并達到非線性飽和，當量比越大火焰熱釋放脈動飽和以及火焰?zhèn)鬟f函數響應對應的臨界橫向射流比均越大，渦脫落頻率接近聲學激勵頻率并和熱釋放率耦合也存在一個臨界橫向射流比。而橫向射流介質為CH4時，隨著橫向射流比的增加，低當量比下壓力脈動幅值存在一個降幅最大的波谷。不同橫向射流介質均存

4、在能夠降低燃燒熱聲振動幅值的最佳工況點。甲烷和丙烷配比燃燒時隨著甲烷比例和橫向射流比增加壓力脈動振幅變化均呈逐漸降低趨勢，而一氧化碳和丙烷配比燃燒時隨著CO摻混比例的增加，燃燒室壓力脈動振幅逐漸降低，并在10％時達到最低后保持不變。煙氣再循環(huán)條件下的壓力脈動幅值最小的工況發(fā)生在橫向射流比J為3.6和CO2摻雜比例為10%時，不同的CO2摻混比例表現出不同的線性或非線性響應特征。開展了分別在燃燒室壁面和進氣管路施加聲場激勵時燃燒熱聲不穩(wěn)定

5、特性的研究，采用壓力脈動分析，火焰?zhèn)鬟f函數分布，火焰和陰影圖像以及龐加萊映射圖像軌跡分析燃燒振動特性。當在燃燒室施加聲場擾動時，橫向射流比對壓力脈動主頻振幅影響不大；不同橫向射流比下火焰的熱釋放脈動隨著激勵振幅變化呈波動趨勢和非線性響應特征，激勵頻率大于270Hz以后的火焰熱釋放脈動主要是由橫向射流干擾；火焰熱釋放脈動在振幅激勵下趨于飽和的現象仍然存在但依賴于激勵頻率，不同激勵頻率下火焰熱釋放脈動最強烈所對應的橫向射流比不同。當在進氣管

6、路施加聲場擾動時，橫向射流比對燃燒室內壓力脈動影響不大，進氣管路聲波直接影響到當量比脈動，對火焰的熱釋放響應影響較大，致使熱釋放脈動和壓力脈動同頻同相耦合性較好，50Hz和135Hz激勵頻率在較低橫向射流比下隨著激勵振幅的變化火焰?zhèn)鬟f函數呈現非線性響應，100Hz激勵頻率下火焰對不同橫向射流比擾動則呈現線性響應特征。龐加萊映射圖像在不同的聲場擾動下具有不同的聲場激勵諧波響應特征。在分析卡門渦街和旋流渦系對燃燒不穩(wěn)定性影響的基礎上，開展了

7、一款實際電站鍋爐運行中的非預混旋流燃燒器燃燒振動特性的測試研究，并且在實驗室規(guī)模下對其進行?；?，分析改變燃燒室結構以及施加橫向射流擾動時對燃燒熱聲振動特性的影響，如改變燃燒器進氣管段進風方式和長度，去除火焰分割板，移動旋流盤等。認為熱驅動型熱聲振動存在但是并不是誘發(fā)熱聲不穩(wěn)定的主要原因，去除火焰分割板后燃燒室的壓力脈動程度有所降低，但是仍有壓力和熱釋放脈動耦合的可能，取決于渦結構與火焰的相互影響。在移動旋流盤的過程中旋流方位角脈動，以及