燃氣透平升降負荷過程中存在的低頻振蕩燃燒現(xiàn)象的分析

姜偉強 付賀

摘要：珠海液化燃氣透平機組自5 月份投入使用以來，每次升降負荷過程中都存在不同程度的低頻振蕩燃燒現(xiàn)象，由于振蕩燃燒為不穩(wěn)燃燒，會伴隨著放熱量和壓力的大幅振蕩，使系統(tǒng)性能下降并降低燃燒室的使用壽命，發(fā)生了兩次燃燒室熄火故障?；趶娖裙舱窈蜔崧曌约深惾紵袷幍臋C理，結(jié)合機組的實際運行狀態(tài)和現(xiàn)象，對低頻振蕩燃燒現(xiàn)象進行一定程度原因分析，并提供相應解決措施。

關(guān)鍵詞：燃氣透平;升降負荷;低頻振蕩燃燒;熄火

1 引言

隨著日益增長的對燃氣輪機高效率及低排放環(huán)保要求，干式低NOx（DLE）燃燒室，貧預混燃燒技術(shù)得到了廣泛的應用。燃燒振蕩是指與常規(guī)穩(wěn)態(tài)燃燒不同的周期性振蕩燃燒過程，其壓力和燃燒放熱等參數(shù)都是周期變化的，具有固定頻率。這種低頻振蕩燃燒伴隨著強烈的噪聲（轟鳴聲），同時也會造成燃燒不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)部件損壞，甚至回火、熄火從而引發(fā)災難性事故。與擴散火焰相比，預混火焰對流動及當量比的變化非常敏感，隨著燃燒室單位熱強度的增加及TMX 值的不斷提高，燃燒室對振蕩燃燒也變得特別敏感。珠海液化燃氣透平所出現(xiàn)的燃燒室低頻振蕩燃燒主要出現(xiàn)在升降負荷的過程中，存在特定的區(qū)域內(nèi)，其穩(wěn)定燃燒的低頻壓力在50mpsi 左右，不穩(wěn)定區(qū)域出現(xiàn)在100-900mpsi 內(nèi)。在升降負荷的過程中伴隨著轉(zhuǎn)速、主輔燃料氣閥的開度、VGV 開度、輸出功率等參數(shù)的變化。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

振蕩燃燒現(xiàn)象存在于各種燃燒、火箭飛機發(fā)動機、工業(yè)用燃氣發(fā)電機組及燃氣透平機組。對于外部強迫共振機理主要從聲學的范疇出發(fā)，燃燒室的燃燒系統(tǒng)中存在十分復雜的聲學固有頻率，假如外界也存在一個激勵源頻率與其中一個頻率吻合，便會激發(fā)煙氣分子產(chǎn)生共振，主要變現(xiàn)為燃燒壓力的大幅波動（也就是所謂的PCB 的波動）。這類燃燒振蕩常見于帶機械周期運行部件的燃燒設備中。外部強迫振蕩的機理比較簡單，它有兩個必不可少的條件：一是存在外部周期性激勵源并達到一定強度;二是激勵源頻率與燃燒室煙氣的固有頻率吻合。

對于熱聲自激振蕩燃燒是由系統(tǒng)內(nèi)部燃燒放熱與聲壓波動互相激勵產(chǎn)生的。其一般機理可描述為：如果燃燒放熱速率有一個微小的變化，則這個微小的變化會產(chǎn)生聲壓擾動。聲在燃燒室內(nèi)傳播，遇到壁面或不同介質(zhì)返回，反過來又影響燃料供應速度，使燃燒速度變化。這樣燃燒放熱與壓力波動將相互影響，當相位恰當時便能相互激勵，構(gòu)成正反饋回路。燃燒系統(tǒng)便處于不穩(wěn)定狀態(tài)，微小的擾動將在短時間內(nèi)被放大，隨后在非線性因素的作用下建立起一定幅值和頻率的振蕩。在預混燃燒方式中，燃料在火焰反應區(qū)域上游注入，在燃料噴注位置，空氣氣流的擾動之間具有一個時滯，該時滯導致火焰前言的擾動，因而產(chǎn)生了周期性的放熱。這種周期性的放熱如果與系統(tǒng)的聲學共振頻率相位相同，就可以在燃燒室中激勵不穩(wěn)定燃燒，反之，系統(tǒng)穩(wěn)定。根據(jù)李祥晟的研究，對不穩(wěn)定燃燒觸發(fā)機理的研究表明：在工業(yè)預混燃氣輪機燃燒室中，由于燃料側(cè)的供應被阻塞，燃燒室中壓力擾動產(chǎn)生空氣側(cè)空氣流量的變化，使得燃料與空氣的當量比發(fā)生變化，當量比的擾動產(chǎn)生的放熱振蕩是不穩(wěn)定燃燒的激勵源，而由燃料噴注位置至火焰前沿的總的有效對流時間是造成放熱振蕩與聲壓耦合的關(guān)鍵因素。其對燃料空氣當量比變化對振蕩燃燒特性影響的數(shù)值研究表明：總的燃料空氣當量比變化時，會對振蕩燃燒的頻率和強弱產(chǎn)生一定的影響。總的當量比增加時，由于放熱對振蕩過程加入的能量增加，因而震蕩的幅值增大，這時燃燒室表現(xiàn)為強振蕩模式;相反，當總的當量比下降時，由于放熱對振蕩過程加入的能量減少，因而震蕩的幅值下降，這時燃燒室表現(xiàn)為弱振蕩模式。Schadow 與Cohen等對貧油預混燃燒室不穩(wěn)定性進行了實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)，當反應混合物的當量比接近貧油極限時，會出現(xiàn)不穩(wěn)定的振蕩燃燒現(xiàn)象?；鹧娴募y影圖像表明，這種不穩(wěn)定表現(xiàn)為火焰自身的大尺度、周期性的擺動，因而他們認為這種振蕩特性痛燃燒噴注平面上大尺度漩渦的周期性脫離有關(guān)，當渦脫離頻率與主要聲波同相時，燃燒室的不穩(wěn)定性會由于渦與聲學振蕩之間交換能量而加劇。

Broda等的研究發(fā)現(xiàn)，通常燃燒不穩(wěn)定性發(fā)生在貧油條件下，在當量比為0.6 附近出現(xiàn)壓力振蕩的峰值。Venkataraman等的研究表明，在不穩(wěn)定時會形成漩渦，該渦流結(jié)構(gòu)從火焰穩(wěn)定器上脫落而使火焰表明扭曲。基于這種現(xiàn)象，他們也得出渦流可以驅(qū)動不穩(wěn)定的結(jié)論。

Paschereit等對于燃氣輪機燃燒室中的不穩(wěn)定放熱機理存在著兩種觀點：一種是認為放熱的擾動是由于反應混合物的供給或質(zhì)量流量的振蕩引起（氣體動力學的脈動），另一種觀點認為渦卷等流動不穩(wěn)定性是放熱振蕩的主要原因（燃燒過程的脈動）。這兩種觀點的共同點都針對速度場，認為放熱與聲學耦合是由于速度場得擾動。

3 實際運行分析

根據(jù)珠海液化燃氣透平在實際運行過程中，燃燒室低頻壓力波動的檢測情況，燃燒室處于穩(wěn)定狀態(tài)時，低頻PCB-BAND 在100mpsi一下，通常處于50mpsi 左右最為穩(wěn)定。不穩(wěn)定燃燒通常處在TMX值在980-1070 度之間，低頻PCB-BAND 在100mpsi-900mpsi 之間波動，這時認為透平便處于低頻振蕩燃燒的狀態(tài)，并在降負荷的過程中出現(xiàn)熄火的現(xiàn)象。珠海液化燃氣透平帶動離心式冷劑壓縮機對外做功，燃燒室的燃料供給有主燃料氣閥和輔助燃料氣閥（值班燃料）進行控制，空氣由軸流式壓氣機供給。為更直觀地分析低頻振蕩燃燒發(fā)生時機組各參數(shù)的變化規(guī)律，我們特采集以下幾幅圖片。（紅線代表壓氣機的出口壓力、藍色代表透平轉(zhuǎn)速、綠色代表TMX值、黃色代表低頻PCB-BAND、粉紅色代表壓氣機VGV 開度、橙色代表主燃料閥后壓力、青色代表值班燃料閥后壓力、黑色代表壓氣機的轉(zhuǎn)速）。

圖1、圖2 代表升負荷過程中相關(guān)參數(shù)的變化情況，圖3、圖4、圖 5、圖6 代表降負荷過程中相關(guān)參數(shù)的變化情況。在透平升負荷的過程中，由于透平功率的不斷增加，主燃料氣閥提供的燃料氣量會不斷的增加，值班燃料提供的燃料氣量會不斷減少，壓氣機的空氣供給量也不斷增大，從圖中的曲線不難看出，VGV 的開度沒有變化，由于透平轉(zhuǎn)速的不斷提高，壓氣機的出口壓力，主輔燃料氣閥后的壓力都在增加和波動，這時的低頻PCB-BAND 也出現(xiàn)相應的增長和波動，并伴隨著低頻振蕩燃燒。在降負荷過程中也同樣會出現(xiàn)壓氣機的出口壓力，主輔燃料氣閥后的壓力都在增加和波動，這時的低頻PCB-BAND 也出現(xiàn)相應的增長和波動，并伴隨著低頻振蕩燃燒。6張圖片中燃燒波動的峰值均出現(xiàn)在各參數(shù)快速變化的拐點，而且降負荷過程中的波動峰值較大。

根據(jù)曲線的變化情況也不難看出，壓氣機的出口壓力及值班燃料閥后的壓力波動是比較頻繁。從圖4 中我們卻發(fā)現(xiàn)，在透平升轉(zhuǎn)速時，并沒有出現(xiàn)低頻振蕩燃燒，這時VGV 的開度出現(xiàn)增長和波動，在之后穩(wěn)定后卻出現(xiàn)一段時間的低頻振蕩燃燒。由長時間的運轉(zhuǎn)經(jīng)驗我們也總結(jié)出透平低頻振蕩燃燒會出現(xiàn)在特定的工況區(qū)域內(nèi)，在低負荷及較高負荷時，透平燃燒比較穩(wěn)定，不會出現(xiàn)低頻振蕩燃燒。

主輔燃料氣閥的開度及閥后壓力波動將影響燃料氣的供應流量及流速的波動，而壓氣機的轉(zhuǎn)速、VGV 的開度變化及壓氣機出口壓力的波動將影響空氣進入燃燒室的流速和流量的波動。燃料氣和空氣所出現(xiàn)的這種初始波動，為氣體動力學過程的脈動，這些氣流進入預混燃燒室內(nèi)，發(fā)生化學燃燒反應，并產(chǎn)生火焰，如果存在某種程度的耦合，必將在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生相應的擾動。在加上燃燒系統(tǒng)的放熱過程具有一定的振蕩特性，則將在系統(tǒng)內(nèi)引起氣體的聲振;氣體介質(zhì)的振蕩經(jīng)過一系列因素傳遞又將導致供熱振蕩過程的加劇，這種反饋的存在，使得自激振蕩成為可能。

由此根據(jù)上面國內(nèi)外關(guān)于振蕩燃燒的研究，可以大膽地猜想和初步判斷，珠海液化透平在升降負荷過程中所出現(xiàn)的低頻振蕩燃燒與空氣入口速度及壓力、主輔燃料氣閥的閥后壓力（特別是值班燃料）的波動變化有直接的關(guān)系，這種變化引起了空氣和燃料的供應產(chǎn)生脈動，同時由于這些脈動在燃燒室內(nèi)部可能產(chǎn)生渦脫落、旋流、空燃比的變化及其當量比在空間上的周期分布等，這些變化導致燃燒室內(nèi)的燃燒放熱速率發(fā)生變化，從而導致低頻自激振蕩燃燒。

4 防范措施及后續(xù)工作

4.1 技術(shù)層面

從目前的研究得出，燃燒振蕩的控制方法主要有主動控制和被動控制。主動控制是監(jiān)測燃燒系統(tǒng)內(nèi)的聲壓波動，通過儀器調(diào)節(jié)燃料供應或者外接揚聲器，迫使熱量輸出和聲壓相位不同步或輸入聲場與原始聲場抵消，從而較少或抵消燃燒振蕩的作用。主動控制耗資比較大而且還處于實驗研究階段。

被動控制所采用的方法為：

1）對流體動力學不穩(wěn)定因素激勵或參與的燃燒振蕩，可通過設計改變設備關(guān)鍵部位的幾何形狀，以消除流體學的激勵源;

2）加入聲抗阻，如吸聲材料，使燃燒室產(chǎn)生的壓力擾動被吸收，進而切斷反饋回路;

3）改變?nèi)紵液拖嚓P(guān)煙道的聲學固有頻率;

4.2 操作層面

根據(jù)前期多次通過燃不穩(wěn)定區(qū)域的操作經(jīng)驗總結(jié)，現(xiàn)今快速穩(wěn)定通過這個區(qū)域還是可行的，但是，從曲線的變化規(guī)律上我們可以看出，波動最大的點也是在操作快速變化的拐點，這種操作存在一定的概率性。通過這個區(qū)域，主要是增加透平的功率，這就需要機組的操作與工藝的操作相互配合。

為了更準確地判斷珠海液化燃氣透平機組在升降負荷過程中存在的低頻振蕩燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象的起因和解決方法，還需要專業(yè)的檢測技術(shù)和更多的運行分析。

參考文獻：

[1]李祥晟，豐鎮(zhèn)平.燃氣輪機燃燒室自激勵振蕩燃燒模擬和控制

[2]童正命，葉立，沈佩雯.燃燒激發(fā)振蕩的反饋機理討論.化工進展，2006 年第25 卷增刊.

[3]王寶瑞，張永良，白創(chuàng)軍等.DLN 燃燒室的低頻燃燒振蕩現(xiàn)象研究[A]，工程熱物理學報，2012 年第33 卷第11 期.

[4]李俊杰，羅永浩，胡元.燃燒振蕩的驅(qū)動機理[A]，《燃氣輪機技術(shù)》，2006 年第19 卷第3 期.