9F型燃機(jī)多通道燃燒動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

薛明華　黃素華　戴坤鵬

摘 要：干式低NOx燃燒技術(shù)（DLN）能降低燃?xì)廨啓C(jī)NOx排放.燃燒穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)是進(jìn)行干式低NOx燃燒調(diào)整的基礎(chǔ)，而燃燒壓力脈動(dòng)則是反映燃燒穩(wěn)定性的重要參數(shù).研制了適用于GE公司9F型燃機(jī)的多通道燃燒動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括動(dòng)態(tài)壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及分析軟件.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示，該系統(tǒng)能在線采集燃機(jī)燃燒室內(nèi)多通道的壓力脈動(dòng)，與電廠安裝的便攜式動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CDMS）數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，兩者都在頻率94、138、217、302 Hz附近存在峰值.該系統(tǒng)為9F型燃機(jī)進(jìn)行DLN燃燒調(diào)整提供了真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)支持.

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)； 燃燒調(diào)整； 動(dòng)態(tài)壓力

中圖分類號(hào)： TM 611.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

大型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組以其出色的電力調(diào)峰能力、低污染排放等優(yōu)勢(shì)越來(lái)越得到電力行業(yè)的重視.為了降低污染物NOx的排放，這些重型燃機(jī)基本上都采取干式低NOx燃燒技術(shù)（簡(jiǎn)稱DLN），即采用貧燃料均相預(yù)混燃燒，以控制燃料的燃燒溫度和滯留時(shí)間，達(dá)到降低NOx排放的目的[1].當(dāng)DLN燃燒調(diào)整不當(dāng)時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)輕則跳機(jī)，重則會(huì)縮短使用壽命甚至損壞燃機(jī)燃燒室熱通道部件.據(jù)文獻(xiàn)[2]介紹，采用DLN燃燒技術(shù)的燃機(jī)燃燒室熱通道部件修復(fù)和更換大多數(shù)與燃燒不穩(wěn)定相關(guān)，維護(hù)費(fèi)用占9F型燃機(jī)非燃料成本的70%以上.

燃燒不穩(wěn)定是大型燃機(jī)低NOx燃燒調(diào)整技術(shù)所面臨的重要難題，主要表現(xiàn)為燃燒筒內(nèi)壓力的劇烈脈動(dòng)，并發(fā)出尖銳的嘯叫聲.這種壓力的劇烈脈動(dòng)會(huì)引起燃燒室回火、噴嘴熄滅等問(wèn)題[3].因此燃燒穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)是進(jìn)行DLN燃燒調(diào)整、控制燃燒不穩(wěn)定性的基礎(chǔ).而燃燒壓力脈動(dòng)是反映燃燒穩(wěn)定性的重要參數(shù).評(píng)價(jià)燃燒器運(yùn)行的安全穩(wěn)定，必須建立在采集燃燒壓力脈動(dòng)信號(hào)基礎(chǔ)上.

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)對(duì)燃燒不穩(wěn)定性的基礎(chǔ)研究工作開展較多，但大多關(guān)注燃燒筒設(shè)計(jì)、燃燒基礎(chǔ)理論以及實(shí)驗(yàn)室的燃燒調(diào)整與動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試[4]，對(duì)參與電網(wǎng)發(fā)電的燃機(jī)機(jī)組實(shí)際監(jiān)測(cè)案例幾乎沒有.本文研制了基于美國(guó)通用電氣GE公司9F型燃機(jī)多通道燃燒動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)在9F型燃機(jī)上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試.本文研究的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可為9F型燃機(jī)DLN燃燒調(diào)整提供真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)支持.

1 動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的頻譜特性

燃燒動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)的實(shí)質(zhì)是根據(jù)燃燒筒內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的頻譜特性判斷燃燒狀態(tài)的穩(wěn)定性，因此有必要針對(duì)9F型燃機(jī)燃燒不穩(wěn)定的表現(xiàn)特征加以敘述.

燃燒不穩(wěn)定性通常表現(xiàn)為燃燒室內(nèi)低頻、中頻和高頻動(dòng)態(tài)壓力幅值超出限定值.低頻壓力脈動(dòng)通常發(fā)生在10～100 Hz，該頻率段的壓力幅值隨著火焰溫度降低而增大，在接近熄火的極貧燃料狀態(tài)下可明顯被監(jiān)測(cè)到.這種低頻壓力脈動(dòng)也被稱為“冷振蕩峰值”[5].燃機(jī)運(yùn)行中，冷振蕩峰值一旦過(guò)高，燃燒熱部件的磨損將加劇，并對(duì)燃機(jī)排氣部分的末端、余熱鍋爐以及煙囪產(chǎn)生腐蝕.

中頻壓力脈動(dòng)通常發(fā)生在100～250 Hz左右，與低頻壓力脈動(dòng)相反，該頻率段的壓力幅值隨著火焰溫度升高而增加.因此這種中頻壓力脈動(dòng)也被稱為“熱振蕩峰值”.實(shí)際運(yùn)行中，熱振蕩峰值過(guò)高也會(huì)對(duì)燃燒熱部件產(chǎn)生影響，但是其破壞性比冷振蕩峰值的影響小.

需要引起特別重視的是高頻壓力脈動(dòng)，業(yè)內(nèi)也稱為“尖叫”，通常發(fā)生在250 Hz以上的頻率范圍.高頻壓力脈動(dòng)過(guò)高對(duì)機(jī)組的破壞尤其大，燃機(jī)熱部件在發(fā)生“尖叫”時(shí)，會(huì)由于短時(shí)間內(nèi)的高頻振蕩而發(fā)生周期疲勞破壞.圖1給出了試驗(yàn)電廠9F型燃機(jī)3號(hào)燃燒筒內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力的時(shí)域圖和經(jīng)過(guò)傅里葉變換后的頻譜圖.從圖1（b）可見，在頻率分別為94、138、217、302 Hz處均存在峰值，這也與低頻、中頻、高頻動(dòng)態(tài)壓力的頻率范圍相對(duì)應(yīng).

2 多通道數(shù)據(jù)采集裝置

動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)采集裝置要能采集燃燒筒內(nèi)低頻、中頻以及高頻的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào).具體的測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖2所示，引壓管從燃機(jī)燃燒室的燃燒筒直接將燃燒氣體引出，壓力傳感器通過(guò)三通閥與引壓管連接，另一路直接接阻尼銅管，阻尼銅管的主要作用是防止氣體反沖和排除凝結(jié)水以免影響測(cè)量精度.

系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)壓力傳感器型號(hào)為102A05（美國(guó)PCB公司生產(chǎn)），屬于IEPE型傳感器.該類型傳感器的特點(diǎn)是帶有一個(gè)放大器和一個(gè)恒流源，電流源將電流引入加速度傳感器，因此需要采集卡帶有恒流供電功能.美國(guó)NI公司型號(hào)為9234的采集卡能滿足采集IEPE加速度傳感器信號(hào)的要求，該類型采集卡能將激勵(lì)電流源設(shè)置為內(nèi)部2 mA，從而可對(duì)102A05型動(dòng)態(tài)壓力傳感器信號(hào)進(jìn)行放大和調(diào)理.數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到如圖1所示的時(shí)域和頻譜圖，記錄低頻、中頻、高頻信號(hào)的峰值，作為DLN燃燒調(diào)整的依據(jù).

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與對(duì)比

試驗(yàn)數(shù)據(jù)與電廠采購(gòu)自GE公司的便攜式動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CDMS）測(cè)得的燃燒調(diào)整信號(hào)進(jìn)行對(duì)比.該系統(tǒng)由GE公司根據(jù)燃燒調(diào)整試驗(yàn)提供給電廠，安裝在燃機(jī)輪機(jī)間外，動(dòng)態(tài)壓力也由引壓管引出.值得注意的是該系統(tǒng)價(jià)格昂貴，而且國(guó)內(nèi)大多數(shù)9E型或9F型機(jī)組的電廠并沒有配置該套設(shè)備.試驗(yàn)中利用壓力三通閥將本文所研制的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接入并采集數(shù)據(jù)，通道排列順序與CDMS一致.

試驗(yàn)中所得到信號(hào)的時(shí)域、頻譜圖可參見圖1.其它8個(gè)燃燒筒的信號(hào)結(jié)果類似，此處不一一給出.從采集數(shù)據(jù)看，信號(hào)經(jīng)傅里葉變換之后，每個(gè)燃燒筒內(nèi)信號(hào)頻譜圖上各頻段都明顯存在峰值.表1給出了多通道頻譜圖中各頻段峰值，并與同工況下采自電廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的CDMS數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.

由表1可知，從峰值對(duì)應(yīng)的頻率來(lái)看，多通道動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的頻率與CDMS數(shù)據(jù)的頻率基本一致.在94、138、217、302 Hz附近均存在峰值.但從峰值上看，多通道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與CDMS數(shù)據(jù)存在較大差異，CDMS數(shù)據(jù)比9個(gè)通道數(shù)據(jù)大5～10倍.分析其原因?yàn)椋阂龎汗芤龅娜紵矁?nèi)動(dòng)態(tài)壓力，會(huì)存在壓力幅值衰減，因此多通道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的信號(hào)并不能反映出真實(shí)的燃燒筒內(nèi)壓力脈動(dòng)情況，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正.CDMS數(shù)據(jù)則考慮了這一情況并進(jìn)行了修正，因此峰值比多通道中采集得到的峰值大.但由于CDMS只給出了處理后的峰值和頻率數(shù)據(jù)，并未提供原始的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)，因此對(duì)于安裝在燃機(jī)輪機(jī)間外測(cè)量燃燒室動(dòng)態(tài)壓力的修正方法還需進(jìn)一步研究.

圖3分別給出了94、217、302 Hz頻率上動(dòng)態(tài)壓力幅值隨著時(shí)間的變化.從圖中可見，多通道采集數(shù)據(jù)和CDMS數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出幅值隨著時(shí)間有規(guī)律性的波動(dòng)，CDMS數(shù)據(jù)要大于多通道采集數(shù)據(jù)值，并且兩者存在一定的比例關(guān)系.

4 結(jié) 論

本文研制了適用于9F型燃機(jī)燃燒室多通道動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)運(yùn)行中的燃機(jī)機(jī)組進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)研究，主要結(jié)論為：

（1） 該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行中的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行多通道燃燒筒內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)采集，并能實(shí)時(shí)分析動(dòng)態(tài)壓力時(shí)域和頻譜圖，得到脈動(dòng)壓力的低頻、中頻、高頻峰值，為DLN燃燒調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持.

（2） 多通道動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)與CDMS數(shù)據(jù)對(duì)比顯示：兩者得到的峰值頻率基本一致，在94、138、217、302 Hz附近均存在峰值.但從幅值上看，CDMS數(shù)據(jù)比多通道數(shù)據(jù)大5～10倍.這是因?yàn)橐龎汗芤龅娜紵覂?nèi)動(dòng)態(tài)壓力，由于管道長(zhǎng)度及沿程損失，會(huì)存在壓力幅值上的衰減，原始信號(hào)并不能反映出真實(shí)的燃燒室內(nèi)壓力脈動(dòng)情況.

（3） 從一段時(shí)間內(nèi)多通道動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)與CDMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，兩組數(shù)據(jù)的幅值均隨著時(shí)間有規(guī)律性的波動(dòng)，CDMS數(shù)據(jù)大于多通道采集數(shù)據(jù)，并且兩者存在一定的比例關(guān)系.今后將研究修正引壓管壓力損失的方法，以期得到真實(shí)的燃燒室內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力的脈動(dòng)特征.

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