申春艷,王尹卓然,趙 勇

(1.中國航發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)有限公司,遼寧 沈陽 110000;2.東北大學(xué),遼寧 沈陽 110000)

1 引 言

隨著燃?xì)廨啓C(jī)適應(yīng)性需求的提高,目前海上平臺(tái)使用的燃?xì)廨啓C(jī)多配備雙燃料系統(tǒng)(即氣體燃料和液體燃料),且兩種燃料能夠互相切換和混燒。國外此項(xiàng)技術(shù)已發(fā)展得相對(duì)成熟,例如Siemens、GE、Solar等公司生產(chǎn)的雙燃料燃?xì)廨啓C(jī),其性能先進(jìn),且能夠在60s內(nèi)實(shí)現(xiàn)天然氣至柴油的在線切換[1]。

為實(shí)現(xiàn)重要能源裝備的國產(chǎn)化替代,需要在現(xiàn)有國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室及燃料系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合國外多型雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)理念,對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)、燃料系統(tǒng)布置及控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。國內(nèi)目前暫無真正意義上實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的國產(chǎn)化雙燃料燃?xì)廨啓C(jī),其原因主要在于雙燃料燃燒技術(shù)還處于瓶頸階段。而且,目前海上平臺(tái)用燃?xì)廨啓C(jī)幾乎全部采用雙燃料燃燒技術(shù)[2]。

為解決這一難題,通過調(diào)研大量國外先進(jìn)的雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)文獻(xiàn)資料,并通過分析、消化、改進(jìn)等方式創(chuàng)新設(shè)計(jì)適合自身的雙燃料燃燒技術(shù),并對(duì)其技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析,為國產(chǎn)雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)是在單燃料基礎(chǔ)上改進(jìn)研制的,存在單一燃料獨(dú)立工作和兩種燃料混合工作狀態(tài)。研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)包括雙燃料噴嘴設(shè)計(jì)、燃料切換控制策略、混燒技術(shù)、低排放技術(shù)、清吹技術(shù)等。雙燃料噴嘴設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于保證燃燒室壁溫及出口溫度場(chǎng)均勻;燃料切換控制的難點(diǎn)在于降低波動(dòng)幅值及縮短調(diào)節(jié)時(shí)間;混燒技術(shù)的難點(diǎn)在于對(duì)混燒區(qū)域的控制;低排放技術(shù)的難點(diǎn)在于將氣、液兩種燃料低排放技術(shù)結(jié)合;清吹技術(shù)的難點(diǎn)在于選擇合適的清吹氣源及清吹氣流量,從而實(shí)現(xiàn)冷卻噴嘴和避免高溫燃?xì)獾构嗟哪康腫3-5]。

由于國內(nèi)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)較少,燃?xì)廨啓C(jī)采用設(shè)計(jì)的清吹系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證時(shí)出現(xiàn)了回火現(xiàn)象,嚴(yán)重影響燃?xì)廨啓C(jī)的穩(wěn)定性及安全性。針對(duì)此現(xiàn)象,本文通過分析故障原因,提出了改進(jìn)方案及并進(jìn)行了工程驗(yàn)證,證明了其合理性和可行性,為同類型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)積累了一些經(jīng)驗(yàn),為后期雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)支撐。

2 故障現(xiàn)象

2.1 研制過程回火故障現(xiàn)象

初始設(shè)計(jì)的雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)清吹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用大流量的空壓機(jī)對(duì)燃?xì)饧叭加涂偣苓M(jìn)行清吹,通過調(diào)節(jié)閥控制清吹氣流量,并在每條管路上設(shè)置單向閥、速斷閥、壓力表及流量計(jì),以實(shí)現(xiàn)清吹通道切換及監(jiān)測(cè)保護(hù)的功能。

圖1 雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)燃料及清吹系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)過程中,燃?xì)廨啓C(jī)采用柴油點(diǎn)火啟動(dòng),全速空載狀態(tài)開始利用空壓機(jī)對(duì)燃?xì)夤苈烦掷m(xù)清吹。燃?xì)廨啓C(jī)在大工況運(yùn)行時(shí)發(fā)生了回火現(xiàn)象,部分燃?xì)饪偣芗胺止軣t,如圖2所示。

圖2 某型燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)夤苈?/p>

2.2 相似故障及解決措施

針對(duì)雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)回火問題,相關(guān)人員進(jìn)行了廣泛研究,并對(duì)清吹系統(tǒng)及燃燒室結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)方案。鄧紅濤針對(duì)SOLAR CENTAUR H50型燃?xì)廨啓C(jī)長時(shí)間運(yùn)行后燃油管路燒紅的現(xiàn)象(如圖3所示)進(jìn)行了分析,得出燃油分管壓力不均是造成燃油管路燒紅的原因之一,并提出加裝前置壓縮機(jī)擴(kuò)散器壓力空氣吹掃系統(tǒng)的改進(jìn)方案[1]。張善軍等針對(duì)燃燒室高溫燃?xì)饣亓髦寥剂蠂娮煸斐煞止軣g及噴嘴結(jié)焦的問題,設(shè)計(jì)了一種帶自身引氣清吹系統(tǒng)的雙燃料燃燒室噴嘴[2]。

圖3 燃油管路燒紅

3 回火原因分析及驗(yàn)證

3.1 仿真分析

回火故障發(fā)生后,對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行硬件檢查,發(fā)現(xiàn)周向各燃?xì)鈬娮齑嬖诓煌潭鹊姆e碳?；诖爽F(xiàn)象,以回火故障前的燃燒室壓力及空壓機(jī)出口壓力作為邊界條件,利用ANSYS Fluent仿真計(jì)算軟件,建立如圖4所示的模型,進(jìn)行速度場(chǎng)計(jì)算,結(jié)果如圖5所示。

圖4 仿真模型

圖5 計(jì)算結(jié)果

通過仿真分析可以得出,采用壓縮空氣對(duì)燃?xì)夤苈愤M(jìn)行清吹時(shí),由于空壓機(jī)的流量偏小,清吹空氣無法從所有噴嘴全部高速排出,導(dǎo)致燃燒室內(nèi)高溫燃?xì)鈴牟糠謬娮臁⒎止艿构嘀寥細(xì)饪偣?造成回火故障。仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象一致,表明清吹氣量不足是誘發(fā)雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)回火故障的關(guān)鍵因素。

3.2 分析結(jié)論驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真分析結(jié)論,再次試驗(yàn)時(shí)采用二倍于原流量的空壓機(jī)進(jìn)行清吹,并對(duì)燃?xì)夥止芗翱偣鼙诿鏈囟冗M(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)點(diǎn)位置見圖6,結(jié)果如圖7所示。采用更大流量的空壓機(jī)進(jìn)行清吹后,未出現(xiàn)燃料總管及分管燒紅的現(xiàn)象。通過壁面溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,部分燃?xì)夥止鼙跍貢?huì)高于平均溫度,表明空壓機(jī)的清吹流量仍然偏小,清吹空氣無法從全部20個(gè)燃?xì)鈬娮旄咚倥懦?部分噴嘴內(nèi)存在高溫燃?xì)獾构嗟默F(xiàn)象。由于噴嘴至速斷閥之間為“死腔”通道,理想情況下,倒灌的高溫燃?xì)鈺?huì)滯止于固定位置,但實(shí)際情況受火焰筒內(nèi)氣流脈動(dòng)的影響,滯止位置會(huì)發(fā)生波動(dòng),此結(jié)論與仿真分析結(jié)果一致。

圖6 燃?xì)夤苈繁跍販y(cè)點(diǎn)周向分布示意圖(順氣流方向)

圖7 燃?xì)夤苈繁诿鏈囟?/p>

3.3 空壓機(jī)能力需求

以燃燒室壓力為邊界條件,按不出現(xiàn)燃?xì)獾构嗟那闆r對(duì)空壓機(jī)能力需求進(jìn)行仿真計(jì)算,可以得出,為保證清吹效果,需保證一定的清吹速度,而清吹容積(燃料總管及分管)相對(duì)較大,則在整個(gè)清吹過程中需裝置大流量的壓縮機(jī)。從經(jīng)濟(jì)性及場(chǎng)地空間考慮,采用空壓機(jī)清吹方案存在一定的局限性,需研制新的清吹方法。

4 清吹系統(tǒng)改進(jìn)及應(yīng)用情況

由于燃燒室擴(kuò)壓過程存在流阻損失、空氣由小孔流入存在摩擦損失、冷熱氣流摻混及燃燒存在熱阻損失,燃?xì)廨啓C(jī)在各工況下的燃燒室內(nèi)壓力均低于壓氣機(jī)出口壓力。燃燒室造成的壓力損失由總壓恢復(fù)系數(shù)表示,一般情況下,管式燃燒室的總壓恢復(fù)系數(shù)為0.95～0.99,環(huán)形和環(huán)管式燃燒室的總壓恢復(fù)系數(shù)為0.92～0.975[3]。燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)公式如下:

(1)

在現(xiàn)有空壓機(jī)能力無法滿足清吹需求的情況下,基于上述原理及空壓機(jī)清吹的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),對(duì)清吹系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)(如圖8所示),即采用壓氣機(jī)出口的高壓空氣對(duì)燃?xì)夤苈愤M(jìn)行清吹,利用壓氣機(jī)出口與燃燒室的壓力差,將噴嘴出口處清吹氣體始終保持正向流動(dòng);采用天然氣對(duì)燃油管路進(jìn)行清吹,清吹流量及壓力可通過燃調(diào)閥調(diào)節(jié)。為保證燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行安全,在壓氣機(jī)引氣清吹管路上設(shè)置2個(gè)高溫速斷閥,并安裝壓力表進(jìn)行泄漏報(bào)警監(jiān)測(cè)。

圖8 雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)燃料及清吹系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)示意圖

為驗(yàn)證上述方案的清吹效果,試驗(yàn)過程中在壓氣機(jī)引氣及燃?xì)夤苈繁诿嬖O(shè)置溫度監(jiān)測(cè),測(cè)點(diǎn)位置見圖9,燃?xì)廨啓C(jī)由0.3工況至最大狀態(tài)的壓氣機(jī)引氣及燃?xì)夤苈繁跍販y(cè)試結(jié)果如圖10所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,采取壓氣機(jī)引氣清吹燃?xì)夤苈泛?壓氣機(jī)引氣管、燃?xì)饪偣?、燃?xì)夥止鼙诿鏈囟瘸手鸺?jí)下降趨勢(shì),壁面最高溫度未高于設(shè)計(jì)點(diǎn)壓氣機(jī)出口溫度,表明燃燒室內(nèi)高溫燃?xì)馕闯霈F(xiàn)倒灌現(xiàn)象,改進(jìn)措施驗(yàn)證有效。

圖9 壓氣機(jī)引氣及燃?xì)夤苈繁跍乇O(jiān)測(cè)周向分布示意圖(順氣流方向)

圖10 壓氣機(jī)引氣及燃?xì)夤苈繁诿鏈囟?/p>

5 結(jié)束語

吹掃冷卻技術(shù)主要用于冷卻未工作的燃料通道,延長噴嘴使用壽命。本文通過兩種吹掃方式的對(duì)比及對(duì)雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)回火故障的仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,得出清吹氣量不足是導(dǎo)致回火故障的原因。所提出的采用壓氣機(jī)引氣及天然氣清吹的改進(jìn)方案,可以有效避免燃燒室內(nèi)高溫燃?xì)獾构?實(shí)現(xiàn)對(duì)非工作燃料管路清吹保護(hù)的目的,且無需額外配備清吹設(shè)備。由此可以得出,雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)的燃料及燃料吹掃系統(tǒng)本身并不復(fù)雜,但由于對(duì)該系統(tǒng)的特性及各項(xiàng)參數(shù)了解不夠,造成了燃?xì)廨啓C(jī)燃燒調(diào)整完全依賴于外方的局面,本文對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒調(diào)整提供了重要的參考。