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爐膛內(nèi)燃燒振蕩的實(shí)驗(yàn)

文檔作者：童正明，葉立文檔來源：上海理工大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月10日
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·1964·
化 工 進(jìn) 展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENG EER G PROGRESS 2008年第27卷第12期
爐膛內(nèi)燃燒振蕩的實(shí)驗(yàn)
童正明，葉立
(上海理工大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，上海200093)
摘要：對鍋爐爐膛內(nèi)燃燒振蕩現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，爐膛內(nèi)煙氣脈動(dòng)強(qiáng)度與風(fēng)機(jī)氣流脈動(dòng)、燃料空
氣比等外界擾動(dòng)有關(guān)，且成比例增大；氣流脈動(dòng)頻率主要集中在10 Hz以下，屬低頻振蕩。實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)鍋爐實(shí)測
雷諾數(shù)值大于某 臨界值時(shí)即會發(fā)生燃燒振蕩，由此提出了表征燃燒穩(wěn)定特性的準(zhǔn)則(臨界雷諾數(shù)尺 )，并給出了
-臨界雷諾數(shù)的表達(dá)式。增大，臨界雷諾數(shù)可提高燃燒穩(wěn)定性，從而消除或削弱燃燒振蕩現(xiàn)象發(fā)生，該結(jié)論可供今后
鍋爐或爐窯燃燒室設(shè)計(jì)時(shí)參考。
關(guān)鍵詞：鍋爐；燃燒振蕩；脈動(dòng)；I臨界雷諾數(shù)
中圖分類號：TK 16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000—6613(2008)12—1964—03
Experimental investigations on combustion oscillation in boiler furnace
TONG Zhengming， YE Li
(School of Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 20009，China)
Abstract：Experimental investigations on combustion oscillation in boiler furnace were performed．The
results showed that pulsating oscillation intensity of smoke in boiler furnace was in proportion to
environmental disturbances，such as unstable blower airflow an d variety of fuel—air ratio．Oscillation
frequency of smoke was mainly less than 10 Hz，belonging to low frequency ran ge．The experiments also
showed that combustion oscillation would occur when the measured Re numbers went beyond a specific
Re number A criterion explaining combustion stability (critical Re)，was presented，and the expression of
critical Re was also given．Improving critical Re numbers will enhan ce combustion stability,and SO
eliminate or weaken combustion oscillation．This paper Can be useful in improving boiler furnace design．
Key words：boiler；combustion oscillation；pulsant oscillation；critical Re
熱力系統(tǒng)中的無控燃燒振蕩是一種具有破壞性
的燃燒故障。高熱強(qiáng)度的燃燒室(如鍋爐、裂解爐等)
經(jīng)常會由于燃燒過程而誘發(fā)燃燒振蕩，不僅產(chǎn)生強(qiáng)烈
噪聲，還會造成燃燒不穩(wěn)定、固件共振等問題，嚴(yán)重
情況下甚至?xí)茐臓t墻結(jié)構(gòu)而使得鍋爐、裂解爐等不
能正常運(yùn)行I】】。如何診斷和避免爐膛內(nèi)無控燃燒振蕩
是工程技術(shù)研究人員經(jīng)常遇到的難題，目前有文獻(xiàn)報(bào)
道可通過對爐膛腔體進(jìn)行簡化模型計(jì)算得出燃燒系
統(tǒng)固有頻率【2】或通過計(jì)算軟件對燃燒過程進(jìn)行流場
模擬【3]的方法來避免熱力系統(tǒng)中無控燃燒振蕩的發(fā)
生，但由于燃燒過程自身的復(fù)雜性，這些計(jì)算方法在
實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。本文作者采用冷、熱態(tài)模
型對鍋爐爐膛內(nèi)燃燒振蕩機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，先利
用冷態(tài)模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方法的正確性，再利用熱態(tài)模型
分析振蕩機(jī)理，判斷出影響爐膛內(nèi)燃燒振蕩的主要因
素。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了通過控制臨界雷諾數(shù)來消除
或削弱爐膛內(nèi)燃燒振蕩現(xiàn)象的方法，該方法在實(shí)際應(yīng)
用中簡易可行并能達(dá)到良好效果。
1 燃燒振蕩產(chǎn)生機(jī)理
從理論上講，燃燒振蕩是氣體流動(dòng)過程與燃燒
加熱過程兩者相互作用的結(jié)果【4】。當(dāng)燃燒室內(nèi)初始
壓力或氣流速度由于某些原因產(chǎn)生脈動(dòng)時(shí)，這一脈
動(dòng)將會激發(fā)燃燒過程中某些過程(如油滴蒸發(fā)、湍
流摻混和失熵穩(wěn)定等)的脈動(dòng)，從而導(dǎo)致燃燒室內(nèi)
熱釋放率產(chǎn)生脈動(dòng)，而熱釋放率脈動(dòng)又會反過來引
起壓力或速度的脈動(dòng)。從壓力或速度脈動(dòng)到熱釋放
收稿日期：2008—04—28；修改稿日期：2008—09—18。
第一作者簡介： 童正明(1955一)， 男， 副教授。E—mail
133l1835062@ 133sh．corn。
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第l2期 童正明等：爐膛內(nèi)燃燒振蕩的實(shí)驗(yàn) ·1965·
率脈動(dòng)之間存在一定的時(shí)間滯后，若滯后時(shí)間使熱
釋放率脈動(dòng)與壓力速度脈動(dòng)相互加強(qiáng)，就使得壓力
脈動(dòng)或速度脈動(dòng)形成波，波的傳播使燃燒過程產(chǎn)生
振蕩。當(dāng)波動(dòng)傳播過程使整個(gè)燃燒振蕩過程形成閉 測量位
合的反饋路線時(shí)，就會出現(xiàn)持續(xù)的自激諧振蕩。上
述燃燒振蕩的形成與持續(xù)過程可由圖1表示L5 J。
引起耦合
過程的脈動(dòng)
壓力、速度
波的傳播
引起當(dāng)?shù)責(zé)後尫怕?
脈動(dòng)(振蕩能源)
_ _ __- -- -__ __ __ ___ __ __ __ ___ __ __ __ ___ __ 一
I
當(dāng)?shù)貕毫Α⑺俣?
脈動(dòng)形成波
圖1 燃燒振蕩形成機(jī)理圖
2 冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)
2．1 冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)裝置及方法
冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)以國產(chǎn)300 Mw 電站鍋爐爐膛為
原型，按照幾何相似原理建造出冷態(tài)模型，裝置結(jié)構(gòu)
如圖2所示。冷態(tài)模型用有機(jī)玻璃制成，實(shí)驗(yàn)時(shí)從
爐膛底部輸入預(yù)先設(shè)定的壓力脈動(dòng)，在四角布置的
切向氣流噴射下測試不同高度處爐內(nèi)氣流壓力脈動(dòng)
情況。壓力脈動(dòng)由特制的動(dòng)態(tài)壓力傳感器測得，并
通過B&amp;amp;K2034分析儀進(jìn)行頻譜分析。
后
圖2 冷態(tài)模型試驗(yàn)裝置圖
2．2 冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)，
在模型爐膛底部輸入設(shè)定壓力脈動(dòng)后，爐內(nèi)氣流隨
之發(fā)生脈動(dòng)，并引起爐墻脈動(dòng)。外界輸入壓力脈動(dòng)
越強(qiáng)，爐內(nèi)氣流脈動(dòng)也越大，從而爐墻振動(dòng)越厲害。
對比實(shí)驗(yàn)測得結(jié)果與鍋爐實(shí)測結(jié)果(圖4)可知，
相同脈動(dòng)條件下，在模型爐膛和實(shí)際爐膛上相應(yīng)位
置處測得的氣流壓力脈動(dòng)值非常接近，由此說明根
據(jù)相似準(zhǔn)則進(jìn)行?；O(shè)計(jì)得出的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與
實(shí)際情況基本相符，證明了?；瘜?shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性以及
進(jìn)一步進(jìn)行熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)的可行性。
冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生的爐膛振蕩主要是由于壓
565uV‘
／ o o o
529uV
o
測量
圖3 冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果
圖4 鍋爐上的實(shí)測結(jié)果
縮機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流脈動(dòng)造成的，在實(shí)際燃燒過
程中，誘發(fā)燃燒振蕩的因素要復(fù)雜得多。除風(fēng)機(jī)氣流
脈動(dòng)外，渦脫落、旋流及燃料供應(yīng)不均等因素均可導(dǎo)
致燃燒振蕩發(fā)生。為進(jìn)一步研究真實(shí)燃燒過程中的爐
膛內(nèi)燃燒振蕩現(xiàn)象，又進(jìn)行了熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)。
3 熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)
3．1 熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)裝置及方法
熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。模擬爐膛由鋼
板制成，爐膛下部以對沖布置方式插入兩根管子，
噴入液化石油氣體作燃料進(jìn)行燃燒。實(shí)驗(yàn)中，通過
改變空氣與液化石油氣流量比來改變工況，分別在
▲
煙氣出口
—
／
／
／
圖5 熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)裝置圖
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·1966· 化 工 進(jìn) 展 2008年第27卷
半預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒兩種工況下測定爐內(nèi)氣流壓
力的脈動(dòng)。仍使用特制的動(dòng)態(tài)壓力傳感器測量壓力
脈動(dòng)，并通過B&amp;amp;K2034分析儀進(jìn)行頻譜分析。
3．2 熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
圖6列出了熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)部分測量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)
中測得的爐內(nèi)氣流(煙氣)脈動(dòng)強(qiáng)度隨Qair／Q
比值和發(fā)熱強(qiáng)度的不同而變動(dòng)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可看
出，爐內(nèi)氣流脈動(dòng)與初始外界擾動(dòng)有關(guān)，且成比例
增大。熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)中，爐內(nèi)氣流壓力脈動(dòng)由實(shí)際
燃燒過程引起，所測得的脈動(dòng)頻率主要集中在10
Hz以下，屬于低頻振蕩范圍。之后本文作者在國產(chǎn)
300 MW 電站鍋爐(上海石洞口電廠)爐膛不同標(biāo)
高處實(shí)測了氣流壓力脈動(dòng)值，也證明了以上結(jié)論。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，燃燒過程中存在一表征燃燒特征
的臨界雷諾數(shù) 。測得雷諾數(shù)若大于該臨界雷諾數(shù)
值，燃燒就會失穩(wěn)，發(fā)生燃燒振蕩。由于鍋爐內(nèi)燃燒
振蕩屬于低頻范圍(頻譜在10Hz以下)，亦即為小
波數(shù)工況，在線性穩(wěn)定性理論基礎(chǔ)上對擾動(dòng)方程進(jìn)行
攝動(dòng)求解，可推導(dǎo)得出臨界雷諾數(shù)的表達(dá)式如下：
式中，尺 為臨界雷諾數(shù)；Q為放熱量；O。為
振蕩因子；R為爐膛半徑；Ma為馬赫數(shù)；P為壓力；
／dz為壓力梯度。由于文章篇幅所限，具體推導(dǎo)過
程作者將在以后論文中詳細(xì)說明。
若燃燒放熱量、放熱強(qiáng)度、壓力梯度及初始壓
(d)
圖6 熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果
力(或速度)脈動(dòng)增大，即處于高熱負(fù)荷和高擾動(dòng)
情況下，放熱量Q、振蕩因子 、壓力梯度( ／(1z、
馬赫數(shù)Ma值將會增大，此時(shí)燃燒振蕩可能會被激
發(fā)。若增大表征燃燒特征的臨界雷諾數(shù)尺 ，爐內(nèi)的
燃燒穩(wěn)定性則會得到改善，亦即不易發(fā)生燃燒振蕩
現(xiàn)象。為增大臨界雷諾數(shù)，可采用的最簡便方法為
增大爐膛尺寸或減小爐內(nèi)斷面熱負(fù)荷。
4 結(jié)論
熱力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中常會發(fā)生燃燒振蕩現(xiàn)
象，直接造成燃燒不穩(wěn)定甚至設(shè)備的損壞。本文作
者通過對鍋爐爐膛進(jìn)行冷態(tài)和熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)，研究
了爐膛內(nèi)燃燒振蕩現(xiàn)象，提出了表征燃燒穩(wěn)定特性
的準(zhǔn)則—— 臨界雷諾數(shù)RP ，并在此基礎(chǔ)上得出了
消除或削弱爐膛內(nèi)燃燒振蕩現(xiàn)象的措施。
(1)鍋爐爐膛內(nèi)氣流脈動(dòng)與初始外界擾動(dòng)有
關(guān)，且成比例增大。同時(shí)爐內(nèi)氣流壓力脈動(dòng)主要是
由燃燒過程引起的，其脈動(dòng)頻率主要集中在10 Hz
以下，且隨發(fā)熱強(qiáng)度與空氣系數(shù)的改變而改變。
(2)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，存在一個(gè)表征燃燒穩(wěn)
定特性的準(zhǔn)則，即臨界雷諾數(shù)忍 。提高爐內(nèi)熱負(fù)荷
或增大外界擾動(dòng)因素，將會使表征燃燒準(zhǔn)則的 值大
于其臨界值，這種情況下就會引起爐內(nèi)燃燒振蕩現(xiàn)象。
(3)臨界雷諾數(shù)增大表示爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性提
高。因此增大爐膛尺寸，降低爐膛斷面熱負(fù)荷可以
消除或減輕爐內(nèi)壓力的脈動(dòng)強(qiáng)度。
參考文獻(xiàn)
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[6】童正明， 葉立，沈佩雯．燃燒激發(fā)振蕩的反饋機(jī)理討論[J】．化工進(jìn)
展，2006，25(增刊)：280．282

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