第四讲燃烧动态解析课件

第5讲燃烧动态脉动燃烧加热炉的动态特性分析第5讲燃烧动态脉动燃烧加热炉的动态特性分析1提纲概述燃烧系统的建模方法脉动燃烧加热炉的模型脉动燃烧加热炉的动态特性的特点分析提纲概述2概述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：煤粉的多相燃烧过程固体与气体在炉膛内的多相流动过程以及炉膛内高温烟气的传热过程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。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。概述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3锅炉燃烧系统的建模方法锅炉的燃烧系统的建模方法大致可以分为以下几种方法，零维模型一维模型三维模型准三维模型锅炉燃烧系统的建模方法锅炉的燃烧系统的建模方法大致可以分为以4燃烧系统的零维模型主要假设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；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；忽略烟气的蓄能、蓄质能力，以及动量假设水冷壁、烟气的温度均一，并且为灰体燃烧系统的零维模型主要假设5燃烧系统的零维模型基本方程：燃烧系统的零维模型基本方程：6燃烧系统的零维模型基本方程：燃烧系统的零维模型基本方程：7燃烧系统的零维模型基本方程：燃烧系统的零维模型基本方程：8燃烧系统的零维模型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的影响但是，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。零维模型比较多的应用场合在控制系统分析和设计中。燃烧系统的零维模型零维模型实际上是一个极其简单的“集中参数”9燃烧系统的三维模型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：炉内空气动力场模型气固两相流模型传热模型气固两相燃烧模型燃烧系统的三维模型考虑炉膛内燃烧的过程的分布参数特性，以及他10燃烧系统的三维模型基本方程燃烧系统的三维模型基本方程11燃烧系统的三维模型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解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三维模型该模型是一个非线性偏微分方程组，求解非常困12燃烧系统的一维模型基本思想：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。具有较好的精度和计算速度典型应用：电站仿真机燃烧系统的一维模型基本思想：13燃烧系统的一维模型基本假设：燃烧系统的一维模型基本假设：14燃烧系统的一维模型燃烧系统的一维模型15燃烧系统的一维模型燃烧系统的一维模型16燃烧系统的准三维模型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。同样也多是应用于电站锅炉的仿真机的研究中。燃烧系统的准三维模型对于三维模型的另外一种简化方法，对某些参17脉动燃烧加热炉的动态特性脉动燃烧加热炉的工作原理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。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。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。脉动燃烧加热炉的动态特性脉动燃烧加热炉的工作原理18脉动燃烧加热炉的结构原理图脉动燃烧加热炉的结构原理图19脉动燃烧加热炉的工作循环(a)着火燃烧；（b）膨胀；（c）排气与回流；（d）进气与压缩脉动燃烧加热炉的工作循环(a)着火燃烧；（b）膨胀；（c）排20脉动燃烧加热炉的动态特性脉动燃烧过程p-v图脉动燃烧加热炉的动态特性脉动燃烧过程p-v图21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；整个燃烧室内的压力均匀，且遵循理想气体定律；物性参数取为常数；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22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的动态特性脉动燃烧加热炉零维热力模型23脉动燃烧加热炉的动态特性脉动燃烧加热炉的信号流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力振荡，两者互为因果，互相影响。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脉动燃烧加热炉的信号流24脉动燃烧加热炉的动态特性零维模型基本方程燃烧室能量守恒方程式中：反应物的密度、内能、容积产物的密度、内能、容积空气-燃气质量比燃气热值脉动燃烧加热炉的动态特性零维模型基本方程25脉动燃烧加热炉的动态特性零维模型基本方程燃烧室内的质量方程尾管内连续方程尾管内动量方程假设燃烧室内气体为理想气体，则状态方程入口流量方程脉动燃烧加热炉的动态特性零维模型基本方程26脉动燃烧加热炉的动态特性方程的求解假设燃烧室内反应物和燃烧产物的比热和气体常数相同，则从而有脉动燃烧加热炉的动态特性方程的求解27脉动燃烧加热炉的动态特性系统的模型将上式代入能量方程，并约去中间变量从而有其中：脉动燃烧加热炉的动态特性系统的模型28脉动燃烧加热炉的动态特性该系统为一个二阶非线性系统，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特性该系统为一个二阶非线性系统，这些两个29脉动燃烧加热炉的动态特性脉动燃烧加热炉运行频率的影响因素同样为燃烧炉的结构尺寸和燃气比的函数，理想空燃比脉动燃烧加热炉的动态特性脉动燃烧加热炉运行频率的影响因素30脉动燃烧加热炉的动态特性脉动燃烧加热炉尾管对运行频率的影响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)0.77383.6810.6964.3760.89876770.93254.6671.2261.4741.247551.4566.8761.2746541.6950591.3445491.7649521.5440.7471.8248501.71838.4401.9246.1481.95535.337脉动燃烧加热炉的动态特性脉动燃烧加热炉尾管对运行频率的影响燃31脉动燃烧加热炉的动态特性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)17.13576.091776.11876.051676.171976.031576.2920