燃氣輪機合成氣燃燒室動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗研究

第26卷第6期工程熱物理學(xué)報Vol 26. No 62005年11月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSNov.2005燃氣輪機合成氣燃燒室動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗研究雷字2徐綱1房愛(ài)兵12聶超群1黃偉光1(1.中國科學(xué)院工程熱物理研究所,北京100080;2.中國科學(xué)院研究生院,北京100080)摘要本文針對一種燃用合成氣的燃氣輪機燃燒室,在以XI總線(xiàn)為基礎的測試平臺上,進(jìn)行了該型燃燒室的中壓全尺寸動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗研究,獲得了燃燒室在點(diǎn)火及變負荷情況下的溫度、壓力、振動(dòng)等重要參數的變化規律,對燃燒室動(dòng)態(tài)壓力信號進(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定、高效、安全運行的相關(guān)因素及作用機理關(guān)鍵詞燃氣輪機燃燒室;合成氣;動(dòng)態(tài)特性;頰譜分析;VXI總線(xiàn)中圖分類(lèi)號:TK124文獻標識碼:A文章編號: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)壓力信號探測是目前燃氣輪機燃燒煤炭聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的實(shí)現對于燃氣輪機燃燒室技術(shù)診斷的重要手段之一,其理論基石建立在燃燒有關(guān)提出了其獨特的、更高的要求:用于燃氣輪機的燃振動(dòng)研究的基礎之上,通過(guò)對燃燒中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓料的流量、熱值、成分較常用的燃氣輪機氣體燃料有力波動(dòng)的檢測來(lái)實(shí)現對燃燒狀態(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關(guān)系。高翔等對鍋爐因此燃用合成氣的燃氣輪機燃燒室設計面對的主要燃燒過(guò)程中的微壓波動(dòng)信號與燃燒穩定性的相互關(guān)難點(diǎn)即在于燃燒室內流動(dòng)的合理組織以及燃燒穩定系聞題進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗研究叫,金慶銘等也根據燃性和高效性的有效保證。而通過(guò)實(shí)驗手段獲得燃燒燒壓力信號功率譜密度函數研究了燃燒誘發(fā)爐墻振室在各種運行情況下的溫度、壓力、振動(dòng)等重要參動(dòng)的機理數的變化規律和動(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)一步的調試完善和態(tài)特性H中國煤化工安全、穩定、高優(yōu)化控制提供有力保障效運CNMHG,分析了影響動(dòng)收稿日期:2005-04-12;修訂日期:20050922基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目資助(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)判別的初步嘗數據的分系統顯示、在線(xiàn)處理及分析、數據存儲等試功能,同吋用多通道磁帶記錄儀紀錄試驗中重要參2實(shí)驗臺及測試系統數的原始信息本項實(shí)驗在中科院工程熱物理研究所所懷柔實(shí)3實(shí)驗結果及分析驗基地燃氣輪機燃燒室實(shí)驗臺上完成。該實(shí)驗臺能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在燃燒室點(diǎn)火試驗中,當試驗參數調整到點(diǎn)火主要由測量系統、進(jìn)氣系統、排氣系統、冷卻系統、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、燃料氣系統、控制系統、安全系統、監控3紀錄了對燃油流量、燃燒室出口溫度、燃燒室火焰系統等九大系統構成如圖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,燃燒室內動(dòng)態(tài)壓力出現明顯振蕩,出口溫度在霧化空氣請吹保點(diǎn)火器小幅波動(dòng)后急劇升高并穩定在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節閥的影響表現出明顯的滯后性。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,該5點(diǎn)壁面熱電偶沿氮氣瓶柴油火焰筒軸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)驗臺整體布置置相關(guān),也受到筒內火焰分布及氣流冷卻的共同影響實(shí)驗臺后端測量系統是以VXI總線(xiàn)為基礎的測試平臺。VXI總線(xiàn)是當前性能最先進(jìn)的測控系統總線(xiàn)之一,具有標準開(kāi)放、結構緊湊、數據吞吐能力口溫度燃油流盤(pán)強,使得多模塊、多通道、多種方式實(shí)時(shí)并行采集成為可能。試驗中采集硬件使用 Agilent VX集成數據采集系統,配合自主開(kāi)發(fā)的測試軟件,實(shí)現試驗臺前動(dòng)態(tài)壓力壁面溫度]端溫度、壓力、流量等兩百多個(gè)測點(diǎn)的數據采集、通道配置、試驗監測、數據分析等工作(見(jiàn)圖2)時(shí)間/s常規測量?jì)x表「了圖3啟動(dòng)點(diǎn)火動(dòng)態(tài)特性帶紀錄儀壓力驗勒信號分析僅300熱電偶測數據采熱電阻變送及檢驗成或模塊曾曾晉宮:::圖2測量系統原理圖4燃燒室壁溫測點(diǎn)啟動(dòng)溫升特性試驗中各節點(diǎn)參數如燃燒室進(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本亦口峰性中國煤化監測燃燒室工作狀量、燃料氣流量、霧化空氣流量等經(jīng)前端變送、檢驗后況的CNMH(映了燃燒室內的火由ⅴXI的集成測量模塊完成數據采集,經(jīng)IEE1394焰燃燒及穩定特性,另一方面也可以衡量燃燒室的高速數據協(xié)議傳遞至主控機中由測試軟件實(shí)現實(shí)現振動(dòng)狀況.試驗中利用一只高頻響的 Kulite動(dòng)態(tài)壓6期雷宇等:燃氣輪機合成氣燃燒室動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗研究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%負荷合成氣30%負荷l,5500100200300頰率/Hz頻率/H(c)30%負荷狀態(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%負荷合成氣100%負荷頻率/HzM凵中國煤化工CNMHG(d)100%負荷狀態(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26卷力傳感器由聯(lián)焰管伸入燃燒室測量不同工作狀態(tài)下300的燃燒室動(dòng)態(tài)壓力特性1200合成氣流噴嘴試驗中動(dòng)態(tài)壓力采樣頻率為4096Hz,圖5顯示了對不同工況下的動(dòng)態(tài)壓力信號進(jìn)行頻譜分析和功雖2強11004動(dòng)態(tài)壓力率譜分析后的結果。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(cháng)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,窗函數為 Hanning出口壓九130140通過(guò)對冷態(tài)、輕柴油狀態(tài)、模擬合成氣30%時(shí)間/s30%、70%、100%熱負荷工況下的動(dòng)態(tài)壓力分析結果表明: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,燃燒室內各相關(guān)參數均出現較大幅度的變化,右,同時(shí)功率譜密度與化學(xué)反應強度呈現較強的正火焰筒前部的壁溫測點(diǎn)溫度大幅上升,結合試驗中相關(guān)性,動(dòng)態(tài)壓力震蕩幅值隨負荷的增加而明顯增其他現象,可判明此時(shí)燃燒室噴嘴已發(fā)生回火。其33變負荷過(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燃燒室在負荷變化情況下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了過(guò)回火極限,燃燒室火焰失穩而發(fā)生回火特別研究,圖6、7反映的是在某次試驗的負荷增4結論加過(guò)程中,由于流量控制失穩造成回火時(shí)的各參數(1)針對燃用合成氣的燃氣輪機燃燒室中壓全尺變化情況。圖6是在較大時(shí)間范圍下的參數變化狀寸試驗獲得了燃燒室在啟動(dòng)及變負荷運行下重要參況,各點(diǎn)采樣間隔時(shí)間為2s;圖7為采樣間隔時(shí)間量的變化規律及動(dòng)態(tài)特性,有助于實(shí)型機組的調試為20m時(shí)的左圖細化區間內的參數變化情況。由改造和優(yōu)化控制力、火焰筒壁溫測點(diǎn)都呈現較為平穩的變化,當合(2)對燃燒室內動(dòng)態(tài)壓力和其他相關(guān)參數的監測和變化模式的判別能提供診斷燃燒室運行狀況的有效方法,為燃氣輪機的安全穩定運行提供保障細化分析102110.5(3)基于VXⅠ總線(xiàn)的測試系統能夠勝任燃氣輪900…02010.14機燃燒室性能試驗的動(dòng)靜態(tài)測量任務(wù),為試驗提供8燃燒室出口壓力成氣流量19精確、穩定、大容量的測試平臺。0.12囝011參考文獻500燃燒室出口A(yíng)力1017徑10.10高翔.應用微壓探測診斷燃燒狀況的試驗研究.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)程參數變化EXPO 2001. New Orleans, Louisiana. 2001-GT-005中國煤化工CNMHG