第四讲燃烧动态

1、第5讲 燃烧动态 脉动燃烧加热炉的动态特性分析 提纲 n概述 n燃烧系统的建模方法 n脉动燃烧加热炉的模型 n脉动燃烧加热炉的动态特性的特点分析 概述 n电站锅炉的燃烧系统可以说是整个电站中最复 杂的系统，其中涉及了及其复杂的物理和化学 过程，从最简化的角度看，大致可以包括： n煤粉的多相燃烧过程 n固体与气体在炉膛内的多相流动过程 n以及炉膛内高温烟气的传热过程 n对于上述过程的机理研究目前实际上很不充分， 为了得到实用的模型需要进行很多简化。 n因此对于电站锅炉的燃烧系统的建模和分析， 体现了研究人员极大的勇气和技巧。 锅炉燃烧系统的建模方法 n锅炉的燃烧系统的建模方法大致可以分 为以下几

2、种方法， n零维模型 n一维模型 n三维模型 n准三维模型 燃烧系统的零维模型 n主要假设 n忽略锅炉炉膛的分布参数特点，假设烟气的 状态参数和热流密度在炉膛内均匀； n以假定的炉膛绝对温度为最高温度，以炉膛 出口温度作为最低温度； n忽略烟气的蓄能、蓄质能力，以及动量 n假设水冷壁、烟气的温度均一，并且为灰体 燃烧系统的零维模型 n基本方程： 燃烧系统的零维模型 n基本方程： 燃烧系统的零维模型 n基本方程： 燃烧系统的零维模型 n零维模型实际上是一个极其简单的“集中参数” 模型，该模型完全不考虑炉内过程，因此不能 反映出炉膛温度分布和热流密度分布特性的变 化，也难以反映出燃烧系统对汽水系统

3、的影响 n但是，零维模型足够简单，也能够反映出锅炉 燃烧系统的主要动态特性特点，同时相比较其 他回路（汽水流程）而言，在炉膛内从燃烧到 放热过程的速度是非常快的，精度的影响还是 可以容忍的，因此在工程中还是获得了应用。 n零维模型比较多的应用场合在控制系统分析和 设计中。 燃烧系统的三维模型 n考虑炉膛内燃烧的过程的分布参数特性， 以及他们之间流动、燃烧换热过程及其 复杂的耦合关系，主要包括： n炉内空气动力场模型 n气固两相流模型 n传热模型 n气固两相燃烧模型 燃烧系统的三维模型 n基本方程 燃烧系统的三维模型 n该模型是一个非线性偏微分方程组，求 解非常困难，目前一般是用数值方法进 行求

4、解 n主要用于炉膛内的流场分析，典型应用 场合，燃烧器计算 燃烧系统的一维模型 n基本思想： n将炉膛按照烟气流程分成若干个区域，然后 假设每个区域内的参数相同，对每个区域可 以近似看作集中参数对象，分别进行流动、 燃烧和传热的计算，从而可以在一定程度上 简化问题地分析，实际上类似于分段集中方 法。 n具有较好的精度和计算速度 n典型应用：电站仿真机 燃烧系统的一维模型 n基本假设： 燃烧系统的一维模型 燃烧系统的一维模型 燃烧系统的准三维模型 n对于三维模型的另外一种简化方法，对 某些参数应用三维假设，另外一些参数 应用零维假设，在复杂性和简单性之间 进行折衷。 n同样也多是应用于电站锅炉的

5、仿真机的 研究中。 脉动燃烧加热炉的动态特性 n脉动燃烧加热炉的工作原理 n几乎所有的燃烧系统按设计应在稳定状态下工作，但是 当出现燃烧不稳定时，经常伴随着很大的噪声，甚至发 生熄火等故障，使燃烧装置无法正常工作。所以对于这 类燃烧装置，不稳定燃烧的出现是不受欢迎的。 n在可控条件下的某些类型的不稳定燃烧的效率较稳定燃 烧更高，脉动燃烧则是这样一类特殊的周期性脉动的燃 烧过程。其他还有很多类似过程。 n脉动燃烧加热炉则是采用脉动燃烧原理设计出来的一种 特殊炉型，其较一般稳定燃烧装置具有效率的效率。 脉动燃烧加热炉的结构原理图 脉动燃烧加热炉的工作循环 (a)着火燃烧；（b）膨胀；（c）排气与回

6、流；（d）进气与压缩 脉动燃烧加热炉的动态特性 脉动燃烧过程脉动燃烧过程p-v图图 脉动燃烧加热炉的动态特性 n脉动燃烧加热炉零维热力模型 n燃烧室被一移动火焰锋面分为两个区域- 包含反应物的冷区和包含燃烧产物的热区； n整个燃烧室内的压力均匀，且遵循理想气体 定律； n物性参数取为常数； n忽略热损失，且认为尾管内的流动为不可压 缩无摩擦流动 脉动燃烧加热炉的动态特性 脉动燃烧加热炉零维热力模型脉动燃烧加热炉零维热力模型 脉动燃烧加热炉的动态特性 n脉动燃烧加热炉的信号流 n燃烧室内发生的混合、燃烧过程所产生的压力振荡直接影响到反 应物的入流，而反应物的入流又反过来导致燃烧室内产生一定的 压

7、力振荡，两者互为因果，互相影响。 n第二个反馈是尾管的阻尼和散热。显然尾管内的阻尼和散热会影 响到燃烧室内的压力波动，而压力波动又会直接影响到反应物的 入流，即第二个反馈会对第一个反馈发生作用。 脉动燃烧加热炉的动态特性 n零维模型基本方程 n燃烧室能量守恒方程 n式中： 反应物的密度、内能、容积 n 产物的密度、内能、容积 n 空气-燃气质量比 n 燃气热值 00 1 mhm r mhVeVe dt d brrppprrr rrr Ve 、 ppp Ve 、 g a m m r 脉动燃烧加热炉的动态特性 n零维模型基本方程 n燃烧室内的质量方程 n尾管内连续方程 n尾管内动量方程 n假设燃烧

8、室内气体为理想气体，则状态方程 n入口流量方程 mm dt dM r r Am 0 a Pp dt d L RTPTCe v 0 2pAC m aaDa a 0 2pAC m ggDg g 脉动燃烧加热炉的动态特性 n方程的求解 n假设燃烧室内反应物和燃烧产物的比热和气 体常数相同，则 n从而有 Bvprvpvrvppprrr VC R p VVC R p TVC RT p TVC RT p VeVe)( dt dp R VC VeVe dt d Bv ppprrr 脉动燃烧加热炉的动态特性 n系统的模型 n将上式代入能量方程，并约去中间变量 n从而有 n其中： 0 AhCV LR vB 0

9、mmm br 、 0 m g m 0)( 2 2 p t d dp t d pd 0 2 )1 ( p hrK rg a fB RTr UA )1 ( tt 0 vBLC V RAh0 0 脉动燃烧加热炉的动态特性 n该系统为一个二阶非线性系统， n为系统的阻尼，因此 时，则系 统能够保持为等幅振荡，经过推导可以 得到稳定振动的条件 )( 0)( fB arg UA rRThK p 2 )1 ( 2 max max )1 ( 375. 0p AP rK RTU Ba g af 这些两个条件为燃烧炉的结构尺寸和燃气比的函数，因 此设计完成后，影响系统稳定性的因素就只有燃气比 脉动燃烧加热炉的动态

10、特性 n脉动燃烧加热炉运行频率的影响因素 n同样为燃烧炉的结构尺寸和燃气比的函数， n理想空燃比 vBLC V RAh f 0 2 1 17.1349r 脉动燃烧加热炉的动态特性 n脉动燃烧加热炉尾管对运行频率的影响 20473L8 .2620473L 20 燃烧室 尾管燃烧室 尾管 尾管长度(m) 计算频率 (Hz) 实测频率 (Hz) 尾管长度(m) 计算频率 (Hz) 实测频率 (Hz) 0.77383.6810.6964.376 0.89876770.93254.667 1.2261.4741.24755 1.4566.8761.274654 1.6950591.344549 1.7649521.5440.747 1.8248501.71838.440 1.9246.1481.95535.337 脉动燃烧加热炉的动态特性 n脉动燃烧加热炉尾管对运行频率的影响 计算频率(Hz)计算频率(Hz) 17.13576.091776.1 1876.051676.17 1976.031576.29 2076.021476.44 692020473尾管燃烧室L 脉动燃烧加热炉的动态特性（r=18） 4.64.74.84.955.15.25.35.4 -3 -2 -1 0 1 2 3 x 10 4 时间 t (s) 压力 p (Pa) 脉动燃烧加