非預(yù)混旋流燃燒熱聲不穩(wěn)定性的機(jī)理及控制研究.pdf

1、隨著中國(guó)石油、天然氣資源的開發(fā)，近年來(lái)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中燃油燃?xì)獾谋戎匾仓饾u增加，但是基于“多煤、少氣、貧油”的能源格局，和世界范圍內(nèi)的日益嚴(yán)苛的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)應(yīng)用和增長(zhǎng)空間非常巨大。燃?xì)廨啓C(jī)是聯(lián)合循環(huán)包括煤氣化聯(lián)合循環(huán)的最關(guān)鍵技術(shù)，但是燃機(jī)貧燃預(yù)混技術(shù)容易誘發(fā)燃燒熱聲振動(dòng)現(xiàn)象，燃燒熱聲振動(dòng)不只存在于預(yù)混燃燒的燃機(jī)發(fā)電中，應(yīng)用非預(yù)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(guó)內(nèi)外基于預(yù)混燃燒的熱

2、聲不穩(wěn)定的理論和控制技術(shù)研究較多，但是對(duì)非預(yù)混燃燒的研究相對(duì)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(yù)混旋流燃燒。基于此著眼于非預(yù)混旋流燃燒熱聲不穩(wěn)定特性的機(jī)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(zhì)，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(dòng)分析，火焰?zhèn)鬟f函數(shù)分布以及火焰和陰影圖像分析了燃燒振動(dòng)特性。橫向射流介質(zhì)為N2時(shí)橫向射流比和當(dāng)量比對(duì)燃燒的壓力和熱釋放脈動(dòng)影響依賴于合適

3、的工況才能促進(jìn)或阻礙兩者之間的耦合關(guān)系。橫向射流介質(zhì)為CO2時(shí)不同當(dāng)量比下隨著橫向射流比增加火焰的熱釋放脈動(dòng)趨勢(shì)基本一致，擬合的火焰熱釋放脈動(dòng)變化趨勢(shì)線逐漸走向平穩(wěn)并達(dá)到非線性飽和，當(dāng)量比越大火焰熱釋放脈動(dòng)飽和以及火焰?zhèn)鬟f函數(shù)響應(yīng)對(duì)應(yīng)的臨界橫向射流比均越大，渦脫落頻率接近聲學(xué)激勵(lì)頻率并和熱釋放率耦合也存在一個(gè)臨界橫向射流比。而橫向射流介質(zhì)為CH4時(shí)，隨著橫向射流比的增加，低當(dāng)量比下壓力脈動(dòng)幅值存在一個(gè)降幅最大的波谷。不同橫向射流介質(zhì)均存

4、在能夠降低燃燒熱聲振動(dòng)幅值的最佳工況點(diǎn)。甲烷和丙烷配比燃燒時(shí)隨著甲烷比例和橫向射流比增加壓力脈動(dòng)振幅變化均呈逐漸降低趨勢(shì)，而一氧化碳和丙烷配比燃燒時(shí)隨著CO摻混比例的增加，燃燒室壓力脈動(dòng)振幅逐漸降低，并在10％時(shí)達(dá)到最低后保持不變。煙氣再循環(huán)條件下的壓力脈動(dòng)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(shí)，不同的CO2摻混比例表現(xiàn)出不同的線性或非線性響應(yīng)特征。開展了分別在燃燒室壁面和進(jìn)氣管路施加聲場(chǎng)激勵(lì)時(shí)燃燒熱聲不穩(wěn)定

5、特性的研究，采用壓力脈動(dòng)分析，火焰?zhèn)鬟f函數(shù)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(dòng)特性。當(dāng)在燃燒室施加聲場(chǎng)擾動(dòng)時(shí)，橫向射流比對(duì)壓力脈動(dòng)主頻振幅影響不大；不同橫向射流比下火焰的熱釋放脈動(dòng)隨著激勵(lì)振幅變化呈波動(dòng)趨勢(shì)和非線性響應(yīng)特征，激勵(lì)頻率大于270Hz以后的火焰熱釋放脈動(dòng)主要是由橫向射流干擾；火焰熱釋放脈動(dòng)在振幅激勵(lì)下趨于飽和的現(xiàn)象仍然存在但依賴于激勵(lì)頻率，不同激勵(lì)頻率下火焰熱釋放脈動(dòng)最強(qiáng)烈所對(duì)應(yīng)的橫向射流比不同。當(dāng)在進(jìn)氣管

6、路施加聲場(chǎng)擾動(dòng)時(shí)，橫向射流比對(duì)燃燒室內(nèi)壓力脈動(dòng)影響不大，進(jìn)氣管路聲波直接影響到當(dāng)量比脈動(dòng)，對(duì)火焰的熱釋放響應(yīng)影響較大，致使熱釋放脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)同頻同相耦合性較好，50Hz和135Hz激勵(lì)頻率在較低橫向射流比下隨著激勵(lì)振幅的變化火焰?zhèn)鬟f函數(shù)呈現(xiàn)非線性響應(yīng)，100Hz激勵(lì)頻率下火焰對(duì)不同橫向射流比擾動(dòng)則呈現(xiàn)線性響應(yīng)特征。龐加萊映射圖像在不同的聲場(chǎng)擾動(dòng)下具有不同的聲場(chǎng)激勵(lì)諧波響應(yīng)特征。在分析卡門渦街和旋流渦系對(duì)燃燒不穩(wěn)定性影響的基礎(chǔ)上，開展了

7、一款實(shí)際電站鍋爐運(yùn)行中的非預(yù)混旋流燃燒器燃燒振動(dòng)特性的測(cè)試研究，并且在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下對(duì)其進(jìn)行?；治龈淖?nèi)紵医Y(jié)構(gòu)以及施加橫向射流擾動(dòng)時(shí)對(duì)燃燒熱聲振動(dòng)特性的影響，如改變?nèi)紵鬟M(jìn)氣管段進(jìn)風(fēng)方式和長(zhǎng)度，去除火焰分割板，移動(dòng)旋流盤等。認(rèn)為熱驅(qū)動(dòng)型熱聲振動(dòng)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(dòng)程度有所降低，但是仍有壓力和熱釋放脈動(dòng)耦合的可能，取決于渦結(jié)構(gòu)與火焰的相互影響。在移動(dòng)旋流盤的過(guò)程中旋流方位角脈動(dòng)，以及