劉志敏，丁陽，徐婷婷，白云山

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030；2.杭州華電能源工程有限公司，杭州 310030)

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡稱燃機(jī))排放污染物NOx含量與燃燒溫度密切相關(guān)，隨著NOx排放標(biāo)準(zhǔn)越來越高，從20世紀(jì)90年代起新型燃機(jī)均采用預(yù)混燃燒方式取代傳統(tǒng)的擴(kuò)散火焰噴注冷卻劑法，以降低火焰溫度，達(dá)到降低NOx排放的目的[1]。預(yù)混燃燒采用燃料和空氣均相混合后燃燒的方式，避免了局部當(dāng)量比過高產(chǎn)生高溫區(qū)，極大地降低了NOx排放質(zhì)量濃度；但可供穩(wěn)定燃燒的燃?xì)猱?dāng)量比變化范圍非常小，燃燒區(qū)域相對(duì)集中，容易發(fā)生火焰吹熄與燃燒振蕩[2]現(xiàn)象。

燃燒壓力脈動(dòng)是用來描述燃燒振蕩的術(shù)語。不同的燃機(jī)制造商使用不同的名稱，包括嗡鳴、脈動(dòng)、聲學(xué)等。

燃燒壓力脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致大幅振動(dòng)，造成通流部件的熱和機(jī)械應(yīng)力疲勞，引起燃燒室部件的損壞。當(dāng)?shù)皖l的、高振幅的燃燒壓力脈動(dòng)發(fā)生時(shí)，會(huì)引起流動(dòng)和燃燒不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)引起燃燒室回火、噴嘴熄滅等問題，造成停機(jī)事故[3]。

1 燃燒壓力脈動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理

產(chǎn)生高振幅燃燒壓力脈動(dòng)的原因有很多，在燃機(jī)燃燒系統(tǒng)中，燃燒壓力脈動(dòng)的最重要來源通常是熱聲耦合[4]。當(dāng)火焰放熱與燃燒室內(nèi)的聲壓波動(dòng)同相或接近同相時(shí)會(huì)產(chǎn)生高幅值脈動(dòng)，這被稱為瑞利(Rayleigh)準(zhǔn)則[5]。

圖1所示為火焰放熱與燃燒室內(nèi)聲壓波動(dòng)基本同步時(shí)相互作用的曲線，在聲壓壓力最大時(shí)向燃燒系統(tǒng)釋放熱量，系統(tǒng)內(nèi)的壓力會(huì)疊加。這一現(xiàn)象會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，每個(gè)循環(huán)周期均向系統(tǒng)釋放熱量，造成燃燒壓力脈動(dòng)增加。

圖1 火焰放熱與聲壓波動(dòng)同相示例Fig.1 Example of heat release and acoustic wave with the same phase

燃燒壓力脈動(dòng)可能增加到破壞性的水平，如果脈動(dòng)的某些頻率與某燃燒部件達(dá)到共振時(shí)，會(huì)引起部件的嚴(yán)重?fù)p壞。上述情況只有在熱量釋放與壓力波動(dòng)同相或幾乎同相時(shí)才會(huì)發(fā)生。相反，如果放熱與壓力波動(dòng)異相，壓力脈動(dòng)則會(huì)減小。

1.1 簡單反饋模型

使用簡單的反饋模型[6]可以解釋導(dǎo)致燃燒壓力脈動(dòng)的過程。各種文獻(xiàn)中表述方法不同，本文基于傳統(tǒng)控制理論論述。

燃燒系統(tǒng)概圖如圖2所示，在圖2中，燃料和空氣混合物壓力脈動(dòng)由其燃燒產(chǎn)物離開火焰的體積速度的波動(dòng)分量(qC)和波動(dòng)壓力(p)組成，這2個(gè)參數(shù)與燃料和空氣混合物的聲阻抗(ZS)相關(guān)。對(duì)于給定的介質(zhì)和幾何形狀，聲阻抗

(1)

式中：Z為聲阻抗；p為壓力；q為體積速度。

圖2 燃燒系統(tǒng)概圖Fig.2 Simplified overview of a combustion system

燃燒產(chǎn)物與燃料和空氣混合物供應(yīng)之間存在的反饋回路如圖3所示，圖中：qS為燃料和空氣混合物的體積速度；C為傳遞函數(shù)；qC為燃燒產(chǎn)物離開火焰的體積速度；ZC為燃燒室內(nèi)的聲阻抗；ZS為燃料和空氣混合物的聲阻抗。C，ZC，ZS都具有幅度和相位。

圖3 圖2的簡單反饋模型Fig.3 Simple feedback model of Fig.2

反饋機(jī)理如圖4所示。所提供燃料和空氣混合物的體積速度為qS，當(dāng)它通過火焰時(shí)，火焰就像一個(gè)具有傳遞函數(shù)C的放大器，燃燒產(chǎn)物離開火焰的體積速度(qC)將取決于其進(jìn)入火焰的體積速度(qS)和傳遞函數(shù)C。

圖4 圖2和圖3所示反饋回路的反饋機(jī)制Fig.4 Feedback mechanism for the feedback loop in Fig.2 and Fig.3

在燃燒室中，燃燒產(chǎn)物的壓力(p)取決于燃燒產(chǎn)物離開火焰的體積速度(qC)和燃燒室內(nèi)的聲阻抗(ZC)。

向燃燒室內(nèi)的火焰供應(yīng)燃料時(shí)也會(huì)影響燃燒室內(nèi)的壓力(p)，壓力(p)除以燃料與空氣混合物的聲阻抗(ZS)得到新的燃料和空氣混合物體積速度(qS)。

1.2 開環(huán)增益(G)

如圖3中的反饋回路所示，脈動(dòng)壓力(p)是由燃料和空氣混合物體積速度(qS)施加的初始波動(dòng)產(chǎn)生的

(2)

(3)

式中：G為開環(huán)增益；C為火焰?zhèn)鬟f函數(shù)。

如果G為負(fù)，反饋振蕩與原始擾動(dòng)同相時(shí)，將會(huì)疊加。如果G為正，在原始擾動(dòng)的相位出現(xiàn)時(shí)，反饋振蕩將減弱，并趨于抵消。

以上盡管考慮了預(yù)混燃料的體積速度，但從圖3和圖4可以看出，體積速度的增加會(huì)導(dǎo)致燃燒室壓力脈動(dòng)的增加。因此，G的相位值有可能導(dǎo)致燃燒室內(nèi)壓力脈動(dòng)的增加。

1.3 伯德圖

上述開環(huán)增益公式是由復(fù)數(shù)組成的，具有大小和相位。開環(huán)增益也會(huì)隨著振蕩頻率的變化而變化，可以在伯德圖上進(jìn)行繪制。圖5是某西門子SGT-100機(jī)組測試條件下的伯德圖示例。

圖5 西門子SGT-100開環(huán)增益的伯德圖Fig.5 Bode plot of the open-loop gain for Siemens SGT-100

從圖5可以看出，當(dāng)相位為-180°，且G大于1時(shí)，可能發(fā)生高幅度的燃燒壓力脈動(dòng)。

根據(jù)瑞利準(zhǔn)則，G=-180°的相位是指熱量釋放與壓力波動(dòng)的相位一致。當(dāng)G大于1，且相位等于-180° 時(shí)，很有可能發(fā)生燃燒振蕩。

圖5中有3個(gè)頻率G=-180°，大約為165，329和732 Hz。在165 Hz時(shí)，G大于1；在329 Hz時(shí)，G約等于1，也可能出現(xiàn)燃燒振蕩，但比165 Hz時(shí)的可能性要小。

2 燃燒壓力脈動(dòng)的測量

2.1 壓力傳感器測點(diǎn)位置

燃燒壓力脈動(dòng)的測量[7-10]需使用壓力傳感器來進(jìn)行，測量位置可以在燃燒室附近，也可以位于燃機(jī)罩殼外部。

2.1.1 壓力傳感器安裝在燃燒室附近

如果壓力傳感器靠近燃燒器，必須能承受高溫。壓力傳感器通常通過一段短管連接到燃燒室，由于管道內(nèi)存在少量“滯留”空氣，高溫燃燒產(chǎn)物不會(huì)直接與壓力傳感器接觸。但傳感器在燃機(jī)外殼內(nèi)，并與燃機(jī)殼體接觸，溫度仍可達(dá)200 ℃左右，所以使用的壓力傳感器必須能承受這種高溫，而這種壓力傳感器通常比較昂貴。圖6為壓力傳感器安裝在燃燒室附近的實(shí)例。

圖6 壓力傳感器安裝在燃燒室附近Fig.6 Dynamic pressure transducer located besides the combustor

2.1.2 壓力傳感器安裝在燃機(jī)罩殼外部

另一種方式是將壓力傳感器安裝在燃機(jī)罩殼外部。燃燒室內(nèi)的壓力波動(dòng)通過“引壓管”傳輸?shù)饺紮C(jī)罩殼的外部。“引壓管”直徑通常為1/4英寸(約6 mm)，長度需要足夠長(最長可達(dá)5 m)，以便引到罩殼的外部。

罩殼外部溫度較低，可以使用成本較低的壓力傳感器。但是壓力傳感器安裝在燃機(jī)罩殼外部，燃燒壓力脈動(dòng)信號(hào)會(huì)有顯著衰減，而且高頻壓力脈動(dòng)比低頻壓力脈動(dòng)衰減嚴(yán)重，可能導(dǎo)致高頻壓力脈動(dòng)無法檢測。因此，當(dāng)存在高頻燃燒壓力脈動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，一般不推薦此安裝方式。

使用不同長度引壓管引至燃機(jī)罩殼外部的壓力脈動(dòng)信號(hào)衰減趨勢如圖7所示(該圖僅適用于直徑6 mm、溫度426.85 ℃和壓力為2.026 MPa的引壓管)。引壓管越長，衰減趨勢越明顯。當(dāng)引壓管長0.1 m時(shí)，即使在較高的頻率下，衰減也很?。坏绻龎汗荛L5 m，則會(huì)導(dǎo)致顯著的衰減。在GE公司DLN-2.0+燃燒系統(tǒng)中，對(duì)于2 000 Hz的壓力脈動(dòng)，在5 m長引壓管末端的信號(hào)強(qiáng)度僅為原始值的一半。

2.2 封閉式及半無限探頭

壓力脈動(dòng)傳感器主要有封閉式探頭和半無限式探頭。圖8是兩種探頭示例。

圖8 封閉式及半無限式探頭Fig.8 Closed and semi-infinite probes

2.2.1 封閉式探頭

封閉式探頭的缺點(diǎn)是駐波可能導(dǎo)致與探頭1/4波頻奇數(shù)倍相關(guān)時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的探測響應(yīng)。

圖9為一臺(tái)阿爾斯通GT26燃機(jī)測量探頭的頻譜示例。此時(shí)，介質(zhì)是空氣，溫度約為370 ℃，聲速約為509 m/s。已知探頭長度為25 mm，其直徑為10 mm，從一端封閉管道的基本波動(dòng)理論得出其有效長度為33.5 mm。

可以計(jì)算得出1/4波頻

(4)

式中：f為1/4波頻；c為聲速；LE為探頭有效長度。

圖9 GT26測量探頭的頻譜示例Fig.9 Example of frequency spectrum of GT26 measuring probe

該探測響應(yīng)可能與燃燒系統(tǒng)中的部分頻率重合。如果適當(dāng)縮短有效長度，可把探頭響應(yīng)頻率提到足夠高。如果無法縮短有效長度，也可根據(jù)燃燒壓力脈動(dòng)頻率，設(shè)計(jì)探測響應(yīng)不與壓力脈動(dòng)頻率相重合時(shí)的探頭長度。

使用短而封閉的探頭，信號(hào)衰減可以忽略不計(jì)。

2.2.2 半無限探頭

當(dāng)壓力傳感器必須遠(yuǎn)離燃燒室時(shí)，需要使用較長的引壓管才能使壓力傳感器位于燃機(jī)罩殼外部。如果長引壓管在靠近壓力傳感器的一端封閉，所有其他條件與前一節(jié)中所示的封閉式探頭相同，則在圖9中，1/4波頻約為25 Hz。但傳感器不僅僅探測響應(yīng)25 Hz頻率壓力脈動(dòng)，還會(huì)探測響應(yīng)25 Hz的所有奇數(shù)倍頻率。此外，引壓管中的溫度變化也會(huì)導(dǎo)致上述壓力脈動(dòng)頻率的變化。可以通過使用半無限探頭來避免上述駐波問題。圖10為GE公司燃機(jī)燃燒壓力脈動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。

2.3 典型的測量流程

圖11為典型的壓力脈動(dòng)測量裝置安裝在燃燒室附近的測量流程。圖12為壓力脈動(dòng)測量裝置位于燃機(jī)罩殼外的替代方法。顯然第2種方法更簡單，但存在圖7的信號(hào)衰減等缺點(diǎn)。

2.3.1 壓力傳感器

幾乎所有壓力傳感器都是電壓輸出型的，例如Meggitt CP 216壓力傳感器,其主要優(yōu)勢是能在高溫環(huán)境下工作。

壓電式壓力傳感器基于檢測壓力變化產(chǎn)生電壓信號(hào)，對(duì)來自各種環(huán)境因素(如射頻干擾，電磁干擾和噪聲干擾)的影響十分敏感，采集到的信號(hào)應(yīng)盡可能快地使用信號(hào)調(diào)節(jié)器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。壓電式壓力傳感器適用于位于燃燒器附近的測量裝置。

圖11 壓力脈動(dòng)測量流程(安裝在燃燒室附近)Fig.11 Pressure fluctuation measurement procedures (located besides the combustor)

如果測量裝置位于燃機(jī)罩殼外，可以使用成本較低的壓力傳感器，直接連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，簡化測量流程，進(jìn)一步降低成本，如圖12所示。

圖12 壓力脈動(dòng)測量流程(安裝在燃機(jī)殼體外)Fig.12 Pressure fluctuation measurement procedures (located outside the combustor)

2.3.2 信號(hào)調(diào)節(jié)器

來自壓電式壓力傳感器的信號(hào)容易受到干擾，為避免這種情況，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為基于電流的信號(hào)，例如Meggitt IPC704信號(hào)調(diào)節(jié)器可以將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)。如果信號(hào)需要長距離傳輸，則首選電流信號(hào)輸出。

燃機(jī)電廠設(shè)備信號(hào)必須從信號(hào)調(diào)節(jié)器所在的位置傳輸?shù)郊厥?，距離較遠(yuǎn)，應(yīng)選擇輸出為電流信號(hào)的信號(hào)調(diào)節(jié)器。如果使用電流信號(hào)輸出配置，則需要電流分離單元。

2.3.3 電流分離單元

電流分離單元(如Meggitt GSI127)可以將信號(hào)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。它也用于隔離需要相互通信的2個(gè)電路，但其電路可能處于不同電位。信號(hào)調(diào)節(jié)器的電源也由電流分離單元提供。

2.3.4 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元(如NI 9234)是將電壓信號(hào)等模擬輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)，數(shù)字信號(hào)可以被發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2.3.5 計(jì)算機(jī)與軟件

從數(shù)據(jù)采集單元獲取數(shù)字輸出，并將測量的燃燒壓力脈動(dòng)執(zhí)行快速傅里葉變換(FFT)，將基于時(shí)間的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻譜，用于進(jìn)一步分析。

3 結(jié)束語

燃機(jī)燃燒振蕩是預(yù)混燃燒技術(shù)中一個(gè)關(guān)鍵且不可回避的問題。燃燒壓力脈動(dòng)機(jī)理研究是解決燃燒振蕩問題的基礎(chǔ)。燃燒壓力脈動(dòng)分析和測量，是基礎(chǔ)試驗(yàn)研究的有效補(bǔ)充。

國內(nèi)在燃機(jī)研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造方面仍較薄弱，燃燒振蕩技術(shù)研究主要依賴高校和科研院所的實(shí)驗(yàn)室研究，但實(shí)驗(yàn)室研究缺乏針對(duì)具體機(jī)型的研究和先進(jìn)燃燒壓力脈動(dòng)測量技術(shù)。

本文應(yīng)用燃機(jī)燃燒機(jī)理，結(jié)合簡單的反饋模型、開環(huán)增益、伯德圖，闡述了燃機(jī)燃燒壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理。并結(jié)合壓力傳感器測點(diǎn)安裝位置、傳感器類型等，介紹了燃燒壓力脈動(dòng)測量的關(guān)鍵技術(shù)以及典型的測量流程。