第26卷第6期工程熱物理學(xué)報(bào)Vol 26. No 62005年11月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSNov.2005燃?xì)廨啓C(jī)合成氣燃燒室動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)研究雷字2徐綱1房愛(ài)兵12聶超群1黃偉光1(1.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所,北京100080;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京100080)摘要本文針對(duì)一種燃用合成氣的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室,在以XI總線為基礎(chǔ)的測(cè)試平臺(tái)上,進(jìn)行了該型燃燒室的中壓全尺寸動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究,獲得了燃燒室在點(diǎn)火及變負(fù)荷情況下的溫度、壓力、振動(dòng)等重要參數(shù)的變化規(guī)律,對(duì)燃燒室動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)頻譜及功率譜分析,初步探討了影響合成氣燃燒室穩(wěn)定、高效、安全運(yùn)行的相關(guān)因素及作用機(jī)理關(guān)鍵詞燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室;合成氣;動(dòng)態(tài)特性;頰譜分析;VXI總線中圖分類號(hào):TK124文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0253-231X(2005)06-1057-04EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON THE DYNAMICCHARACTERISTICS OF A GAS TURBINECOMBUSTOR FIRING SYNGASLEI Yu, 2 XU Gang FANG Ai-Bing, 2 NIE Chao-Qun HUANG Wei-Guang(1. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China;2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China)Abstract The present study focused on the development of a full-scale gas turbine combustor burn-ing syngas from the coal-based multi-production. The dynamic features of a variety of parameters ofthe combustor such as temperature and pressure during the procedures of startup and thermal loadshifting, were measured and analyzed. The frequency and power spectrum of pressure fluctuationwere analyzed by applying FFT methods. The results show that the pressure fluctuation has distinctpatterns during startup and load-transition procedures. The relationship between these dynamic features and the stability, safety and efficiency of gas turbine combustors burning syn-gas are preliminarilydiscussedKey words gas turbine combustor; syngas; dynamic characteristics; frequency and power spectrumanalyses; VXI bus1前言燃燒室動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)探測(cè)是目前燃?xì)廨啓C(jī)燃燒煤炭聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室技術(shù)診斷的重要手段之一,其理論基石建立在燃燒有關(guān)提出了其獨(dú)特的、更高的要求:用于燃?xì)廨啓C(jī)的燃振動(dòng)研究的基礎(chǔ)之上,通過(guò)對(duì)燃燒中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓料的流量、熱值、成分較常用的燃?xì)廨啓C(jī)氣體燃料有力波動(dòng)的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒狀態(tài)進(jìn)行判斷,從而獲很大的變化,主要為燃料的中低熱值和高氫含量,得波動(dòng)能譜與燃燒狀況的相應(yīng)關(guān)系。高翔等對(duì)鍋爐因此燃用合成氣的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室設(shè)計(jì)面對(duì)的主要燃燒過(guò)程中的微壓波動(dòng)信號(hào)與燃燒穩(wěn)定性的相互關(guān)難點(diǎn)即在于燃燒室內(nèi)流動(dòng)的合理組織以及燃燒穩(wěn)定系聞?lì)}進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究叫,金慶銘等也根據(jù)燃性和高效性的有效保證。而通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段獲得燃燒燒壓力信號(hào)功率譜密度函數(shù)研究了燃燒誘發(fā)爐墻振室在各種運(yùn)行情況下的溫度、壓力、振動(dòng)等重要參動(dòng)的機(jī)理數(shù)的變化規(guī)律和動(dòng)態(tài)特性,將在很大程度上促進(jìn)合本文通過(guò)針對(duì)合成氣燃燒室在多種狀況下的動(dòng)成氣燃燒室的開(kāi)發(fā)進(jìn)程,并為進(jìn)一步的調(diào)試完善和態(tài)特性H中國(guó)煤化工安全、穩(wěn)定、高優(yōu)化控制提供有力保障效運(yùn)CNMHG,分析了影響動(dòng)收稿日期:2005-04-12;修訂日期:20050922基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目資助(No50306025)作者簡(jiǎn)介雷宇(1972-),男,溯北宜昌人,助理研究員,博士研究生,主要從事氣相燃燒方面的研究。1058工.程熱物理學(xué)報(bào)26卷態(tài)性能的主要因素,進(jìn)行了燃燒狀態(tài)判別的初步嘗數(shù)據(jù)的分系統(tǒng)顯示、在線處理及分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等試功能,同吋用多通道磁帶記錄儀紀(jì)錄試驗(yàn)中重要參2實(shí)驗(yàn)臺(tái)及測(cè)試系統(tǒng)數(shù)的原始信息本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在中科院工程熱物理研究所所懷柔實(shí)3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析驗(yàn)基地燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)能3.1啟動(dòng)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行合成氣燃燒室中壓全尺寸的模擬全工況試驗(yàn)在燃燒室點(diǎn)火試驗(yàn)中,當(dāng)試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整到點(diǎn)火主要由測(cè)量系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、狀態(tài)點(diǎn)時(shí),即可進(jìn)行燃燒室的輕柴油啟動(dòng)點(diǎn)火。圖燃油系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、監(jiān)控3紀(jì)錄了對(duì)燃油流量、燃燒室出口溫度、燃燒室火焰系統(tǒng)等九大系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示振蕩動(dòng)態(tài)壓力和壁面溫度以50Hz采樣的點(diǎn)火過(guò)程空氣壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)特性。由圖中可看出,在燃油電磁閥開(kāi)啟大約9s后,燃燒室內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力出現(xiàn)明顯振蕩,出口溫度在霧化空氣請(qǐng)吹保點(diǎn)火器小幅波動(dòng)后急劇升高并穩(wěn)定在700°C左右,表明燃「成氣罐燒室點(diǎn)火成功。而火焰筒壁溫的升高則由于熱慣性調(diào)節(jié)閥的影響表現(xiàn)出明顯的滯后性。圖4反映了在火焰筒杰也鹽器不同位置上的點(diǎn)火溫升響應(yīng),該5點(diǎn)壁面熱電偶沿氮?dú)馄坎裼突鹧嫱草S向在外壁面沿軸向依次布置,采樣間隔時(shí)間為2s,可以看出筒壁溫升特性并不簡(jiǎn)單與幾何位圖1實(shí)驗(yàn)臺(tái)整體布置置相關(guān),也受到筒內(nèi)火焰分布及氣流冷卻的共同影響實(shí)驗(yàn)臺(tái)后端測(cè)量系統(tǒng)是以VXI總線為基礎(chǔ)的測(cè)試平臺(tái)。VXI總線是當(dāng)前性能最先進(jìn)的測(cè)控系統(tǒng)總線之一,具有標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力口溫度燃油流盤強(qiáng),使得多模塊、多通道、多種方式實(shí)時(shí)并行采集成為可能。試驗(yàn)中采集硬件使用 Agilent VX集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),配合自主開(kāi)發(fā)的測(cè)試軟件,實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)前動(dòng)態(tài)壓力壁面溫度]端溫度、壓力、流量等兩百多個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、通道配置、試驗(yàn)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析等工作(見(jiàn)圖2)時(shí)間/s常規(guī)測(cè)量?jī)x表「了圖3啟動(dòng)點(diǎn)火動(dòng)態(tài)特性帶紀(jì)錄儀壓力驗(yàn)勒信號(hào)分析僅300熱電偶測(cè)數(shù)據(jù)采熱電阻變送及檢驗(yàn)成或模塊曾曾晉宮:::圖2測(cè)量系統(tǒng)原理圖4燃燒室壁溫測(cè)點(diǎn)啟動(dòng)溫升特性試驗(yàn)中各節(jié)點(diǎn)參數(shù)如燃燒室進(jìn)出口空氣壓力、通道差壓、燃燒室火焰振蕩動(dòng)態(tài)壓力、燃燒室進(jìn)出3.2口溫度、火焰筒壁面溫度、出口擺動(dòng)偶溫度、空氣流NI本亦口峰性中國(guó)煤化監(jiān)測(cè)燃燒室工作狀量、燃料氣流量、霧化空氣流量等經(jīng)前端變送、檢驗(yàn)后況的CNMH(映了燃燒室內(nèi)的火由ⅴXI的集成測(cè)量模塊完成數(shù)據(jù)采集,經(jīng)IEE1394焰燃燒及穩(wěn)定特性,另一方面也可以衡量燃燒室的高速數(shù)據(jù)協(xié)議傳遞至主控機(jī)中由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)狀況.試驗(yàn)中利用一只高頻響的 Kulite動(dòng)態(tài)壓6期雷宇等:燃?xì)廨啓C(jī)合成氣燃燒室動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)研究10596冷態(tài)400500頻率/Hz頻率/Hz(a)冷態(tài)下燃燒室動(dòng)態(tài)壓力頻譜及功率譜密度分布04L-輕柴油狀態(tài)輕柴油狀態(tài)頻率/HLz頻率/Hz(b)輕柴油狀態(tài)下燃燒室動(dòng)態(tài)壓力頻譜及功率譜密度分布合成氣30%負(fù)荷合成氣30%負(fù)荷l,5500100200300頰率/Hz頻率/H(c)30%負(fù)荷狀態(tài)下燃燒室動(dòng)態(tài)壓力頻譜及功率譜密度分布合成氣100%負(fù)荷合成氣100%負(fù)荷頻率/HzM凵中國(guó)煤化工CNMHG(d)100%負(fù)荷狀態(tài)下燃燒室動(dòng)態(tài)壓力頻譜及功率語(yǔ)密度分布圖5不同負(fù)荷狀態(tài)點(diǎn)下的燃燒室動(dòng)態(tài)壓力譜分析1060工程熱物理學(xué)報(bào)26卷力傳感器由聯(lián)焰管伸入燃燒室測(cè)量不同工作狀態(tài)下300的燃燒室動(dòng)態(tài)壓力特性1200合成氣流噴嘴試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)壓力采樣頻率為4096Hz,圖5顯示了對(duì)不同工況下的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和功雖2強(qiáng)11004動(dòng)態(tài)壓力率譜分析后的結(jié)果。頻譜分析采用快速傅立葉變換燃燒室出口壓力卡20來(lái)FFT),窗口長(zhǎng)度為1024點(diǎn)。功率譜分析采用welhl000動(dòng)偶溫度平均周期圖法進(jìn)行功率譜估計(jì),窗函數(shù)為 Hanning出口壓九130140通過(guò)對(duì)冷態(tài)、輕柴油狀態(tài)、模擬合成氣30%時(shí)間/s30%、70%、100%熱負(fù)荷工況下的動(dòng)態(tài)壓力分析結(jié)果表明:冷態(tài)下燃燒室動(dòng)態(tài)壓力振蕩主頻在75Hz圖7燃燒室回火過(guò)程細(xì)化分析附近,燃用輕柴油時(shí)振蕩頻率較為集中在130Hz左成氣流量噴嘴壓差突然增大,合成氣流量猛然增加右,在合成氣燃燒各工況,震蕩主頻大約為90出z左后,燃燒室內(nèi)各相關(guān)參數(shù)均出現(xiàn)較大幅度的變化,右,同時(shí)功率譜密度與化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)較強(qiáng)的正火焰筒前部的壁溫測(cè)點(diǎn)溫度大幅上升,結(jié)合試驗(yàn)中相關(guān)性,動(dòng)態(tài)壓力震蕩幅值隨負(fù)荷的增加而明顯增其他現(xiàn)象,可判明此時(shí)燃燒室噴嘴已發(fā)生回火。其33變負(fù)荷過(guò)程動(dòng)態(tài)分析原因在于燃料量的驟然增加使得噴嘴附近氫濃度超對(duì)燃燒室在負(fù)荷變化情況下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了過(guò)回火極限,燃燒室火焰失穩(wěn)而發(fā)生回火特別研究,圖6、7反映的是在某次試驗(yàn)的負(fù)荷增4結(jié)論加過(guò)程中,由于流量控制失穩(wěn)造成回火時(shí)的各參數(shù)(1)針對(duì)燃用合成氣的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中壓全尺變化情況。圖6是在較大時(shí)間范圍下的參數(shù)變化狀寸試驗(yàn)獲得了燃燒室在啟動(dòng)及變負(fù)荷運(yùn)行下重要參況,各點(diǎn)采樣間隔時(shí)間為2s;圖7為采樣間隔時(shí)間量的變化規(guī)律及動(dòng)態(tài)特性,有助于實(shí)型機(jī)組的調(diào)試為20m時(shí)的左圖細(xì)化區(qū)間內(nèi)的參數(shù)變化情況。由改造和優(yōu)化控制力、火焰筒壁溫測(cè)點(diǎn)都呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的變化,當(dāng)合(2)對(duì)燃燒室內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力和其他相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測(cè)和變化模式的判別能提供診斷燃燒室運(yùn)行狀況的有效方法,為燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障細(xì)化分析102110.5(3)基于VXⅠ總線的測(cè)試系統(tǒng)能夠勝任燃?xì)廨?00…02010.14機(jī)燃燒室性能試驗(yàn)的動(dòng)靜態(tài)測(cè)量任務(wù),為試驗(yàn)提供8燃燒室出口壓力成氣流量19精確、穩(wěn)定、大容量的測(cè)試平臺(tái)。0.12囝011參考文獻(xiàn)500燃燒室出口A力1017徑10.10高翔.應(yīng)用微壓探測(cè)診斷燃燒狀況的試驗(yàn)研究.動(dòng)力工程400火筒壁溫、5009199818(4}:2731150082]金慶銘.燃燒場(chǎng)壓力功率密度測(cè)量.動(dòng)力工程,199040608010012014016018020010(2):43-45時(shí)間/8Jassin Fritz, Flashback in a swirl burner with cylindri-premixing Zone. In: Proceeding of ASME TURBO圖6燃燒室火過(guò)程參數(shù)變化EXPO 2001. New Orleans, Louisiana. 2001-GT-005中國(guó)煤化工CNMHG