第 一 届 全 国 青 年 燃 烧 学 术 会 议, 上 海 燃 烧 热 声 不 稳 定 机 理 及 优 化 控 制 周 昊 浙 江 大 学 能 源 清 洁 利 用 国 家 重 点 实 验 室 2015 年 9 月
报 告 内 容 研 究 背 景 学 科 前 沿 及 难 点 未 来 研 究 工 作 及 合 作
研 究 背 景 燃 气 轮 机 航 空 发 动 机 油 气 燃 烧 炉 等 装 置 中 存 在 被 称 为 热 声 不 稳 定 (Thermoa coustic instabilities) 的 燃 烧 不 稳 定 现 象, 即 燃 烧 中 火 焰 释 热 脉 动 与 声 学 脉 动 之 间 耦 合 造 成 的 一 种 燃 烧 不 稳 定 现 象 随 着 对 低 NO x 燃 烧 的 要 求 日 益 提 高, 贫 燃 配 风, 低 NO x 燃 烧 器 等 应 用, 热 声 不 稳 定 现 象 日 益 突 出, 导 致 严 重 振 动, 熄 火 瑞 利 准 则 : GB13223-2011 电 站 锅 炉 NOx 排 放 标 准 (mg/m 3 ) 燃 料 和 热 能 转 化 设 施 类 型 适 用 条 件 限 值 新 建 燃 油 锅 炉 100 以 油 为 燃 料 的 锅 炉 或 燃 气 轮 机 现 有 燃 油 锅 炉 200 燃 气 轮 机 组 120 天 然 气 锅 炉 100 以 油 为 燃 料 的 锅 炉 或 燃 气 轮 机 其 他 气 体 燃 料 锅 炉 200 天 然 气 燃 气 轮 机 50 其 他 气 体 燃 料 燃 气 轮 机 120
燃 烧 热 声 不 稳 定 时 间 延 迟 化 学 当 量 比 火 焰 / 涡 团 相 互 作 用 火 焰 / 声 场 相 互 作 用 主 动 控 制 主 动 控 制 是 指 通 过 执 行 器 控 制 燃 烧 系 统 的 某 些 参 数, 以 破 坏 热 释 放 脉 动 与 声 学 扰 动 的 耦 合 被 动 控 制 重 新 设 计 燃 烧 器 结 构 重 新 设 计 配 风 方 式 增 加 消 声 部 件 来 吸 收 声 能
燃 烧 热 声 不 稳 定 的 测 量 燃 烧 过 程 极 为 复 杂 ( 两 相 流 动 混 合 传 热 化 学 反 应 高 速 ) 燃 烧 关 键 参 数 的 精 确 动 态 测 量 是 研 究 燃 烧 机 理 实 现 安 全 洁 净 燃 烧 的 基 础 传 统 测 量 点 测 量 接 触 式 测 量 燃 烧 状 态 表 征 和 诊 断 低 频 测 量 高 温 恶 劣 环 境 下 的 参 数 测 量 高 速 同 步 测 量 三 维 非 接 触 测 量 先 进 测 量 场 测 量 非 接 触 测 量 高 频 测 量 燃 烧 机 理 研 究 燃 烧 不 稳 定 控 制 燃 烧 系 统 优 优 化 化 燃 烧 污 染 物 排 放 燃 烧 安 全 燃 烧 过 程 状 态 表 征 和 燃 烧 优 化 控 制 5
燃 烧 热 声 振 动 的 机 理 研 究 Rijke 型 燃 烧 器 和 旋 流 燃 烧 器 的 热 声 不 稳 定 发 生 机 理 和 转 化 规 律 化 学 当 量 比 和 进 气 速 度 对 Rijke 型 燃 烧 器 热 声 不 稳 定 特 性 的 影 响 石 墨 烯 侧 面 电 镜 图 Rijke 管 的 热 声 不 稳 定 特 性 旋 流 燃 烧 器 的 热 声 不 稳 定 特 性 6
横 向 射 流 控 制 燃 烧 热 声 振 动 利 用 横 向 射 流 的 湍 流 拟 序 结 构 干 预 旋 流 燃 烧 器 内 的 热 声 不 稳 定 过 程 的 控 制 方 法 振 幅 降 低 89. 2% (148 db@218 Hz) (125 db@254 Hz) 横 向 射 流 控 制 前 后 的 压 力 波 形 7
大 型 油 气 锅 炉 燃 烧 热 声 振 动 的 测 试 诊 断 方 法 国 内 外 无 大 型 油 气 燃 烧 热 声 振 动 试 验 台, 油 气 低 氮 燃 烧 诱 发 热 声 振 动 的 诊 断 机 理 3 500 光 谱 分 析 国 内 最 大 的 9MW 油 气 燃 烧 器 试 验 台 理 论 计 算 3 000 2 500 光 强 2 000 1 500 1 000 500 0 100 300 500 700 900 波 长 /nm 功 率 谱 密 度 分 析 振 幅 200 150 100 50 频 谱 分 析 f = 3.5 Hz f = 23.1 Hz f = 25.8 Hz f = 43.8 Hz f = 75.1 Hz f = 102.8 Hz Amplitude 1000 800 600 400 200 f=275.8hz f=536.6hz CFD 模 拟 0 0 60 120 180 频 率 /Hz 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Frequency/Hz 多 参 数 融 合 的 炉 内 燃 烧 振 动 诊 断 方 法 ; 大 型 油 气 锅 炉 燃 烧 热 声 振 动 的 测 试 诊 断 理 论 和 振 动 分 析 方 法
沙 特 Rabigh 电 站 2 660MW 燃 油 锅 炉 东 方 电 气 与 山 东 电 建 三 公 司 总 包 的 沙 特 Ra bigh 电 站 2 660MW 锅 炉, 工 程 总 价 18 亿 美 元, 沙 特 最 大 容 量 锅 炉 投 运 后 锅 炉 发 生 严 重 燃 烧 振 动 问 题, 机 组 只 能 带 330MW 负 荷 国 际 上 著 名 公 司 BV, Stork,KEPCO, Hamworthy, 安 塞 尔 多,smartburn 等 公 司 专 家 都 不 能 解 决 问 题 中 方 面 临 锅 炉 拒 收 和 每 天 延 期 罚 款 50 万 美 元 的 巨 大 风 险 现 场 试 验 攻 关 四 个 多 月, 诊 断 测 试 锅 炉 燃 烧 振 动, 主 导 改 造 方 案, 经 过 多 次 停 炉 改 造, 彻 底 解 决 了 锅 炉 燃 烧 振 动 问 题
燃 烧 热 声 振 动 诊 断 分 析 低 氮 燃 烧 器 易 造 成 热 声 不 稳 定 火 焰 分 割 型 低 氮 燃 烧 器 出 口 涡 脱 落 耐 火 浇 注 料 圈 旋 流 盘 Ring 过 高 的 直 流 风 速 过 长 进 风 道 低 氮 火 焰 分 隔 板 火 焰 切 割 板 后 面 的 涡 流 涡 街 脱 落 模 拟
东 方 锅 炉 总 经 理 专 程 到 浙 大 送 来 感 谢 信 为 东 方 锅 炉 乃 至 世 界 范 围 内 的 锅 炉 炉 膛 振 动 问 题 的 研 究 做 出 了 重 大 贡 献 项 目 总 包 山 东 电 建 三 公 司 授 予 申 请 人 总 经 理 特 别 奖, 以 表 彰 在 解 决 沙 特 Rabigh 项 目 锅 炉 振 动 问 题 中 做 出 的 突 出 贡 献 由 于 Rabigh 项 目 成 功, 引 起 了 热 能 行 业 的 极 大 关 注, 国 内 锅 炉 厂 生 产 的 油 气 锅 炉 均 委 托 进 行 热 声 振 动 评 估 和 先 行 防 范 / 振 动 解 决 1) 委 内 瑞 拉 600MW 油 气 炉 振 动 评 估 和 预 防 (CMEC+ 东 锅 委 托 ) 2) 伊 拉 克 萨 哈 拉 丁 630MW 油 气 炉 振 动 评 估 和 预 防 (CMEC+ 哈 锅 委 托 ) 3) 伊 拉 克 华 士 德 600MW 油 气 炉 振 动 评 估 和 预 防 ( 上 海 锅 炉 厂 委 托 ) 4) 中 石 油 川 石 化 4 420t/h 油 气 炉 振 动 问 题 解 决 ( 哈 锅 委 托 ) 5) 越 南 河 静 煤 油 气 混 烧 炉 振 动 评 估 和 预 防 ( 东 锅 委 托 ) 11
汇 报 内 容 研 究 背 景 学 科 前 沿 及 难 点 未 来 研 究 工 作 及 合 作
燃 烧 热 声 不 稳 定 机 理 --- 起 振 过 程 特 点 分 析 了 Rijke 管 四 种 振 动 状 态 periodic, quasi-periodic, frequencylocked, and chaotic, 着 重 研 究 滞 后 效 应 需 进 一 步 研 究 旋 流 燃 烧 热 声 不 稳 定 的 时 滞 效 应, 目 前 研 究 较 少
燃 烧 热 声 不 稳 定 机 理 难 点 重 点 在 于 获 取 火 焰 褶 皱 和 湍 流 结 构 在 声 波 影 响 下 热 释 放 率 的 变 化 规 律, 得 到 火 焰 和 涡 流 及 声 波 相 互 影 响 的 普 适 响 应 函 数 热 释 放 率 的 扰 动 流 动 和 混 合 过 程 的 扰 动 声 学 振 动 当 声 波 通 过 预 混 燃 烧 火 焰 面 时, 声 波 产 生 了 严 重 的 褶 皱, 而 火 焰 面 几 乎 不 受 影 响, 或 者 声 波 通 过 火 焰 面 时 将 引 起 一 种 称 为 瑞 利 --- 泰 勒 不 稳 定 的 振 荡, 从 而 严 重 地 影 响 火 焰 面, 使 得 火 焰 面 产 生 褶 皱, 甚 至 出 现 未 燃 组 分 的 孤 岛, 即 声 波 和 火 焰 之 间 的 耦 合 机 制, 需 进 一 步 详 细 研 究 旋 流 燃 烧 中 的 涡 系 结 构 在 声 场 作 用 或 自 激 型 热 声 不 稳 定 下 和 火 焰 之 间 的 反 馈 机 制, 尚 未 有 统 一 定 论
燃 烧 热 声 不 稳 定 机 理 特 点 研 究 了 声 学 激 励 频 率 和 火 焰 闪 烁 频 率 之 间 的 关 系, 给 予 不 同 频 率 和 振 幅 的 谐 波 激 励, 观 察 涡 结 构 的 发 展, 并 重 建 火 焰 三 维 图 像, 认 为 声 场 激 励 下 克 服 了 剪 切 层 作 用 的 蘑 菇 型 涡 对 的 消 失, 出 现 反 向 旋 转 的 环 形 涡 对 层 流 扩 散 火 焰
燃 烧 热 声 不 稳 定 机 理 特 点 在 一 次 激 励 基 础 上 加 入 二 次 激 励, 二 阶 谐 波 频 率 改 变 了 涡 形 成 和 脱 落 频 率 ; 高 次 谐 波 导 致 了 部 分 火 焰 消 失, 这 一 现 象 降 低 了 火 焰 在 振 幅 影 响 下 的 非 线 性 响 应 ; 认 为 涡 对 是 次 谐 波 振 幅 的 函 数, 次 谐 波 的 振 幅 越 大, 越 易 影 响 到 涡 的 形 成 和 脱 落 横 向 声 场 的 不 同 频 率 连 续 激 励
燃 烧 热 声 不 稳 定 机 理 特 点 分 析 燃 烧 器 尺 寸 和 热 边 界 条 件 对 火 焰 响 应 特 性 的 影 响, 基 于 低 阶 热 声 模 型 进 行 了 火 焰 传 递 函 数 稳 定 极 限 的 分 析
燃 烧 热 声 不 稳 定 机 理 特 点 分 析 了 火 焰 涡 结 构 和 火 焰 闪 烁 在 不 同 的 燃 料 和 空 气 流 量 下 的 关 系, 认 为 同 一 燃 料 量 下 存 在 一 个 临 界 空 气 流 量, 继 续 增 加 空 气 量 可 抑 制 振 动
燃 烧 热 声 不 稳 定 机 理 特 点 分 析 了 不 同 燃 料 组 分 间 的 混 合 对 火 焰 热 释 放 的 影 响, 甲 烷 和 丙 烷 以 不 同 比 例 混 合 产 生 不 同 涡 脱 落 现 象
燃 烧 热 声 不 稳 定 机 理 特 点 变 化 燃 烧 器 的 进 口 段 长 度, 分 析 了 火 焰 传 递 函 数 在 不 同 速 度 脉 动 和 高 振 幅 激 励 下 的 非 线 性 饱 和 过 程
燃 烧 热 声 不 稳 定 机 理 研 究 成 果 引 入 二 维 旋 转 强 度 概 念 分 析, 分 析 PVC 和 火 焰 褶 皱 变 化 规 律
燃 烧 热 声 不 稳 定 机 理 特 点 分 析 高 低 频 扰 动 频 率 对 螺 旋 模 式 的 抑 制 效 果, 认 为 低 频 高 振 幅 螺 旋 模 式 的 抑 制 效 果 较 为 明 显, 且 螺 旋 模 式 的 振 动 和 声 学 响 应 之 间 的 直 接 耦 合 在 研 究 自 激 型 热 声 不 稳 定 时 是 没 有 必 要 的 PVC 驱 动 不 稳 定 性 机 制 与 否 尚 待 进 一 步 研 究, 未 形 成 统 一 定 论, 且 缺 乏 与 火 焰 面 或 火 焰 传 递 函 数 的 综 合 分 析
燃 烧 热 声 不 稳 定 机 理 特 点 对 声 学 激 励 下 的 旋 流 燃 烧 器 分 别 进 行 了 当 量 比 脉 动 分 析 和 涡 脱 落 分 析, 认 为 低 频 是 当 量 比 脉 动 主 导, 高 频 是 涡 相 互 作 用 主 导
燃 烧 热 声 不 稳 定 机 理 --- 氮 氧 化 物 控 制 与 热 声 不 稳 定 之 间 的 耦 合 难 点 某 些 氮 氧 化 物 控 制 手 段 会 造 成 燃 烧 丰 富 的 涡 系 结 构 和 高 浓 度 的 烟 黑 等, 涡 街 与 烟 黑 与 热 声 不 稳 定 之 间 的 作 用 规 律 尚 待 完 善 分 割 火 焰 丰 富 的 涡 街 结 构 高 浓 度 的 烟 黑 Soot 燃 烧 器 配 风 分 级 油 气 燃 烧 器 低 氮 燃 烧 方 式 --- 降 低 火 焰 温 度 烟 气 再 循 环 热 声 不 稳 定 燃 烧 室 内 分 级
燃 烧 热 声 不 稳 定 机 理 --- 非 线 性 理 论 难 点 热 声 振 动 的 非 线 性 理 论 目 前 的 研 究 基 础 是 各 有 所 长, 尚 未 形 成 完 善 的 理 论 体 系 Flame Describing function G-equation G-equation transformation 线 性 模 型 只 能 得 到 热 声 振 荡 的 频 率 特 性, 但 若 获 得 热 声 振 荡 的 幅 值 特 性 极 限 循 环 迟 滞 和 分 叉 等 分 线 性 特 性 则 需 要 非 线 性 响 应 模 型, 结 合 实 验 数 据 和 数 值 模 拟 获 得 通 用 的 非 线 性 理 论 模 型, 对 于 热 声 不 稳 定 的 理 论 体 系 完 善 有 非 常 重 要 的 意 义
燃 烧 热 声 不 稳 定 机 理 ---CFD 数 值 模 拟 难 点 研 究 旋 流 燃 烧 器 的 三 维 带 复 杂 化 学 反 应 机 理 的 大 涡 模 拟 或 DNS 模 拟 为 热 声 不 稳 定 CFD 模 拟 的 方 向, 综 合 考 虑 多 场 耦 合 的 CFD 数 值 理 论 和 技 术 尚 待 完 善
汇 报 内 容 主 要 学 术 成 果 学 科 前 沿 及 难 点 未 来 研 究 工 作 及 合 作
未 来 研 究 方 向 和 合 作 背 景 及 科 学 意 义 洁 净 安 全 燃 烧 要 求 关 键 热 声 不 稳 定 氮 氧 化 物 的 最 优 平 衡 趋 势 声 场 喷 嘴 结 构 非 接 触 三 维 测 量 油 气 燃 烧 逐 步 替 代 传 统 煤 燃 烧, 氮 氧 化 物 排 放 更 趋 严 格 研 究 思 路 实 验 +CFD+ 理 论 分 析 : 实 现 : 低 氮 燃 烧 + 热 声 不 稳 定 抑 制
谢 谢