燃气轮机合成气燃烧室动态特性的实验研究

第26卷第6期工程热物理学报Vol 26. No 62005年11月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSNov.2005燃气轮机合成气燃烧室动态特性的实验研究雷字2徐纲1房爱兵12聂超群1黄伟光1(1.中国科学院工程热物理研究所,北京100080;2.中国科学院研究生院,北京100080)摘要本文针对一种燃用合成气的燃气轮机燃烧室,在以XI总线为基础的测试平台上,进行了该型燃烧室的中压全尺寸动态特性实验研究,获得了燃烧室在点火及变负荷情况下的温度、压力、振动等重要参数的变化规律,对燃烧室动态压力信号进行了动态频谱及功率谱分析,初步探讨了影响合成气燃烧室稳定、高效、安全运行的相关因素及作用机理关键词燃气轮机燃烧室;合成气;动态特性;颊谱分析;VXI总线中图分类号:TK124文献标识码:A文章编号: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前言燃烧室动态压力信号探测是目前燃气轮机燃烧煤炭联产技术的实现对于燃气轮机燃烧室技术诊断的重要手段之一,其理论基石建立在燃烧有关提出了其独特的、更高的要求:用于燃气轮机的燃振动研究的基础之上,通过对燃烧中产生的动态压料的流量、热值、成分较常用的燃气轮机气体燃料有力波动的检测来实现对燃烧状态进行判断,从而获很大的变化,主要为燃料的中低热值和高氢含量,得波动能谱与燃烧状况的相应关系。高翔等对锅炉因此燃用合成气的燃气轮机燃烧室设计面对的主要燃烧过程中的微压波动信号与燃烧稳定性的相互关难点即在于燃烧室内流动的合理组织以及燃烧稳定系闻题进行了相关实验研究叫,金庆铭等也根据燃性和高效性的有效保证。而通过实验手段获得燃烧烧压力信号功率谱密度函数研究了燃烧诱发炉墙振室在各种运行情况下的温度、压力、振动等重要参动的机理数的变化规律和动态特性,将在很大程度上促进合本文通过针对合成气燃烧室在多种状况下的动成气燃烧室的开发进程,并为进一步的调试完善和态特性H中国煤化工安全、稳定、高优化控制提供有力保障效运CNMHG,分析了影响动收稿日期:2005-04-12;修订日期:20050922基金项目:国家自然科学基金资助项目资助(No50306025)作者简介雷宇(1972-),男,溯北宜昌人,助理研究员,博士研究生,主要从事气相燃烧方面的研究。1058工.程热物理学报26卷态性能的主要因素,进行了燃烧状态判别的初步尝数据的分系统显示、在线处理及分析、数据存储等试功能,同吋用多通道磁带记录仪纪录试验中重要参2实验台及测试系统数的原始信息本项实验在中科院工程热物理研究所所怀柔实3实验结果及分析验基地燃气轮机燃烧室实验台上完成。该实验台能3.1启动过程动态特性进行合成气燃烧室中压全尺寸的模拟全工况试验在燃烧室点火试验中,当试验参数调整到点火主要由测量系统、进气系统、排气系统、冷却系统、状态点时,即可进行燃烧室的轻柴油启动点火。图燃油系统、燃料气系统、控制系统、安全系统、监控3纪录了对燃油流量、燃烧室出口温度、燃烧室火焰系统等九大系统构成如图1所示振荡动态压力和壁面温度以50Hz采样的点火过程空气压缩机动态特性。由图中可看出,在燃油电磁阀开启大约9s后,燃烧室内动态压力出现明显振荡,出口温度在雾化空气请吹保点火器小幅波动后急剧升高并稳定在700°C左右,表明燃「成气罐烧室点火成功。而火焰筒壁温的升高则由于热惯性调节阀的影响表现出明显的滞后性。图4反映了在火焰筒杰也盐器不同位置上的点火温升响应,该5点壁面热电偶沿氮气瓶柴油火焰筒轴向在外壁面沿轴向依次布置,采样间隔时间为2s,可以看出筒壁温升特性并不简单与几何位图1实验台整体布置置相关,也受到筒内火焰分布及气流冷却的共同影响实验台后端测量系统是以VXI总线为基础的测试平台。VXI总线是当前性能最先进的测控系统总线之一,具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力口温度燃油流盘强,使得多模块、多通道、多种方式实时并行采集成为可能。试验中采集硬件使用 Agilent VX集成数据采集系统,配合自主开发的测试软件,实现试验台前动态压力壁面温度]端温度、压力、流量等两百多个测点的数据采集、通道配置、试验监测、数据分析等工作(见图2)时间/s常规测量仪表「了图3启动点火动态特性带纪录仪压力验勒信号分析仅300热电偶测数据采热电阻变送及检验成或模块曾曾晋宫:::图2測量系统原理图4燃烧室壁温测点启动温升特性试验中各节点参数如燃烧室进出口空气压力、通道差压、燃烧室火焰振荡动态压力、燃烧室进出3.2口温度、火焰筒壁面温度、出口摆动偶温度、空气流NI本亦口峰性中国煤化监测燃烧室工作状量、燃料气流量、雾化空气流量等经前端变送、检验后况的CNMH(映了燃烧室内的火由ⅴXI的集成测量模块完成数据采集,经IEE1394焰燃烧及稳定特性,另一方面也可以衡量燃烧室的高速数据协议传递至主控机中由测试软件实现实现振动状况.试验中利用一只高频响的 Kulite动态压6期雷宇等:燃气轮机合成气燃烧室动态特性的实验研究10596冷态400500频率/Hz频率/Hz(a)冷态下燃烧室动态压力频谱及功率谱密度分布04L-轻柴油状态轻柴油状态频率/HLz频率/Hz(b)轻柴油状态下燃烧室动态压力频谱及功率谱密度分布合成气30%负荷合成气30%负荷l,5500100200300颊率/Hz频率/H(c)30%负荷状态下燃烧室动态压力频谱及功率谱密度分布合成气100%负荷合成气100%负荷频率/HzM凵中国煤化工CNMHG(d)100%负荷状态下燃烧室动态压力频谱及功率语密度分布图5不同负荷状态点下的燃烧室动态压力谱分析1060工程热物理学报26卷力传感器由联焰管伸入燃烧室测量不同工作状态下300的燃烧室动态压力特性1200合成气流喷嘴试验中动态压力采样频率为4096Hz,图5显示了对不同工况下的动态压力信号进行频谱分析和功虽2强11004动态压力率谱分析后的结果。频谱分析采用快速傅立叶变换燃烧室出口压力卡20来FFT),窗口长度为1024点。功率谱分析采用welhl000动偶温度平均周期图法进行功率谱估计,窗函数为 Hanning出口压九130140通过对冷态、轻柴油状态、模拟合成气30%时间/s30%、70%、100%热负荷工况下的动态压力分析结果表明:冷态下燃烧室动态压力振荡主频在75Hz图7燃烧室回火过程细化分析附近,燃用轻柴油时振荡频率较为集中在130Hz左成气流量喷嘴压差突然增大,合成气流量猛然增加右,在合成气燃烧各工况,震荡主频大约为90出z左后,燃烧室内各相关参数均出现较大幅度的变化,右,同时功率谱密度与化学反应强度呈现较强的正火焰筒前部的壁温测点温度大幅上升,结合试验中相关性,动态压力震荡幅值随负荷的增加而明显增其他现象,可判明此时燃烧室喷嘴已发生回火。其33变负荷过程动态分析原因在于燃料量的骤然增加使得喷嘴附近氢浓度超对燃烧室在负荷变化情况下的动态特性进行了过回火极限,燃烧室火焰失稳而发生回火特别研究,图6、7反映的是在某次试验的负荷增4结论加过程中,由于流量控制失稳造成回火时的各参数(1)针对燃用合成气的燃气轮机燃烧室中压全尺变化情况。图6是在较大时间范围下的参数变化状寸试验获得了燃烧室在启动及变负荷运行下重要参况,各点采样间隔时间为2s;图7为采样间隔时间量的变化规律及动态特性,有助于实型机组的调试为20m时的左图细化区间内的参数变化情况。由改造和优化控制力、火焰筒壁温测点都呈现较为平稳的变化,当合(2)对燃烧室内动态压力和其他相关参数的监测和变化模式的判别能提供诊断燃烧室运行状况的有效方法,为燃气轮机的安全稳定运行提供保障细化分析102110.5(3)基于VXⅠ总线的测试系统能够胜任燃气轮900…02010.14机燃烧室性能试验的动静态测量任务,为试验提供8燃烧室出口压力成气流量19精确、稳定、大容量的测试平台。0.12囝011参考文献500燃烧室出口A力1017径10.10高翔.应用微压探测诊断燃烧状况的试验研究.动力工程400火筒壁温、5009199818(4}:2731150082]金庆铭.燃烧场压力功率密度测量.动力工程,199040608010012014016018020010(2):43-45时间/8Jassin Fritz, Flashback in a swirl burner with cylindri-premixing Zone. In: Proceeding of ASME TURBO图6燃烧室火过程参数变化EXPO 2001. New Orleans, Louisiana. 2001-GT-005中国煤化工CNMHG