CN108870439A - 一种用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，包括消音器及其控制机构、压力波动测量设备、信号采集和处理控制器；信号采集和处理控制器通过压力波动测量设备采集压力波动信号，进行动态信号分析和建立的声学模型，计算得到消音器特性，然后通过控制机构调节消音器，经消音器加强压力波动的耗散，从而抑制或消除燃烧振荡；本发明基于双侧点压力波动技术，通过声学分析理论，可预测燃烧设备内燃烧振荡以及压力波动特性，再利用消音器的可调共振腔室容积的特点，可根据燃烧振荡的发生频率进行调整，从而提高燃烧振荡的频段控制范围。

Description

一种用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构

技术领域

本发明涉及燃烧振荡控制技术，特别是一种用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构。

背景技术

燃烧振荡是各种气体和液体燃烧设备，例如燃气轮机、燃气锅炉、燃油锅炉、火箭发动机及各种燃烧机等中常见的问题。燃烧振荡本质上是一种声学过程，在某些运行工况下，燃烧放热和压力波动产生耦合，形成正反馈，导致压力波动能量持续产生，并与耗散过程平衡形成周期性的、幅值较为固定、持续的脉动过程。在少数特殊的应用领域，燃烧振荡是设备工作所需要的，例如对于脉动锅炉，可以利用脉动燃烧提高传热和传质速率，提高燃烧速率。大部分情况下，燃烧振荡导致的脉动过程，会引起流动、燃烧放热和压力脉动，这可能造成传热恶化，引起燃烧设备固体振动，缩短设备使用寿命，甚至会直接损害控制系统，需要采取措施抑制燃烧振荡的发生。

目前燃烧振荡的防治措施分为主动控制和被动控制。主动控制是在燃烧设备中加装压力波动测点，实时检测燃烧振荡的特性；压力波动信号经过数据采集和处理，并结合一定的控制模型，计算得到控制信号；接着通过快速动态执行机构，对某一参数进行动态控制。该控制信号往往具有与燃烧振荡过程相同的频率。通过对控制参数的高速响应控制，达到削弱或者消除燃烧振荡的目的。这种控制方法虽然具有更改方便，使用范围广的特点，但往往在发展动态控制模型以及寻找响应灵敏、工作可靠性上遇到困难，这大大限制了这种控制方案的应用。被动控制是基于声学理论，在燃烧设备合适位置加装消音设备。通过消音设备来加强压力波动的耗散，从而抑制或消除燃烧振荡。被动控制虽然性能可靠，应用较多，但是被动控制措施中加装的消音设备结构固定，因此只能消除特定频段的燃烧振荡，一旦工况变化导致燃烧振荡特性迁移，已有的被动控制措施将无能为力。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，充分利用燃烧振荡被动控制措施的优点，依靠消音器来强化压力波动的耗散；该消音器结构合理，根据该结构可以实时调整消音特性，通过对燃烧振荡特性实时监测，基于声学分析模型，获取消音器消音特性的最佳方案，通过一定的执行机构，对消音特性进行实时调整。

本发明的技术方案如下：

一种用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，其特征在于：主要包括消音器及其控制机构、压力波动测量设备、信号采集和处理控制器；消音器及其控制机构、压力波动测量设备分别与燃烧设备的燃烧室连接，又分别与信号采集和处理控制器连接；通过信号采集和处理控制器采集压力波动信号，进行动态信号分析和建立的声学模型，计算得到消音器特性，对消音器进行调整以加强压力波动的耗散，从而抑制或消除燃烧振荡。

所述燃烧振荡控制结构可用于的燃烧设备包括燃气轮机、燃气锅炉、燃油锅炉或各种工业用燃烧机，尤其适用于燃气轮机；利用该结构可以有效抑制或者消除燃烧振荡的发生，提高燃烧设备的稳定运行范围。所述燃烧设备主要包括烧嘴、燃烧室、燃烧室燃烧设备壳体。

烧嘴可以是预混烧嘴或扩散烧嘴，用来燃烧气体或者液体材料。

燃烧室根据实际需要可以采用金属材料或者耐火材料，燃烧室与燃烧室燃烧设备壳体之间往往存在夹层，夹层内可以是空气（如燃气轮机），或者隔热材料（高温窑炉）或者冷却介质（如冷却水设计的锅炉）等。

所述消音器及其控制机构包括腔室体积可调的消音器和腔室体积调节机构，腔室体积调节机构包括活塞、阀杆、阀杆外套、伺服电机、电机控制器，活塞设置于消音器的腔室内并将消音器的腔室分成上腔室和下腔室，下腔室与燃烧设备的燃烧室联通，活塞上端与阀杆相连，穿过上腔室的顶部与阀杆外套套接，伺服电机安装于阀杆外套外部，阀杆经伺服电机驱动，伺服电机通过电机控制器控制启动。

所述下腔室的侧壁开设有冷却空气进气口，冷却空气从冷却空气进气口引入下腔室，然后经消音器喉部进入燃烧室，用以防止高温烟气回流进入消音器的下腔室造成活塞及消音器的损坏。

所述消音器通过消音器喉部穿过燃烧设备壳体与燃烧设备的燃烧室联通，消音器的上下腔室及其控制机构均位于燃烧设备壳体的外部。

所述消音器通过消音器喉部与燃烧设备的燃烧室联通，消音器喉部和消音器的上下腔室均位于燃烧设备壳体内，阀杆和阀杆外套穿过燃烧设备壳体，伺服电机布置于位于燃烧设备壳体外部的阀杆外套上。

无论消音器位于燃烧设备壳体内部还是外部，伺服电机都位于燃烧设备壳体外的低温环境中。

所述消音器及其控制机构的工作原理是：伺服电机驱动，使得活塞可以上下运动，用以控制上下腔室的体积；所述燃烧室内的压力波动从消音器喉部进入下腔室，在下腔室内形成压力振荡，压力振荡从消音器喉部返回燃烧室内，与燃烧室内的压力波动叠加，用来抑制燃烧振荡过程。应用中，根据燃烧室内燃烧振荡可能出现的频段范围，合理的设计消音器的体积、直径、长度以及活塞的行程。

所述压力波动测量设备、信号采集和处理控制器的设计如下：与燃烧设备的燃烧室还连接有穿出燃烧设备壳体的压力波动引出管一和压力波动引出管二；位于燃烧设备壳体外部的压力波动引出管一和压力波动引出管二的管壁上分别安装有压力波动传感器一和压力波动传感器二，用以测量燃烧室内的压力波动；为了防止压力波动引出管内压力波动谐波的影响，位于燃烧设备壳体外部的压力波动引出管一和压力波动引出管二的端部分别安装有半无限长管一和半无限长管二；压力波动传感器一和压力波动传感器二分别通过传感器引出线一和传感器引出线二连接至动态信号调理放大器，动态信号调理放大器分别通过压力波动信号导线一、压力波动信号导线二连接至动态信号采集及处理器。

所述压力波动引出管一和压力波动引出管二与燃烧室壁面上开设的引压孔连接。

所述电机控制器通过控制信号导线连接至动态信号采集及处理器。

所述燃烧振荡控制结构的工作原理如下：

通过压力波动传感器一和压力波动传感器二测量燃烧室内的压力波动，测得的压力波动信号分别经过传感器引出线一和传感器引出线二传输进入动态信号调理放大器，经过处理后的信号再分别经过压力波动信号导线一和压力波动信号导线二进入动态信号采集及处理器；动态信号采集处理器记录两个位置的压力波动信号，通过动态信号分析和建立的声学模型，计算得到消音器特性，并得到消音器下腔室的体积，进而确定活塞的位置和伺服电机的行程，从而形成控制指令，通过控制信号导线，发给伺服电机控制器。

在应用本燃烧振荡控制方案之前，需要对燃烧设备的燃烧振荡特性进行测量，形成数据库。需要基于是声学理论和双测点是声学信号分析，需要考虑从冷却空气进气口进入的冷却空气的影响，结合燃烧振荡的特性，合理的设计消音器的尺寸、直径和活塞的行程。压力波动传感器需要考虑压力波动引出管造成的相位变化。

根据实际燃烧设备燃烧振荡特性，可以在燃烧室上布置一个或者多个消音器及控制组件，以实现对更多模态的燃烧振荡的控制。

通过以上设计，可得到一种稳定可靠、适用范围较广、控制策略灵活的燃烧振荡控制结构。

相比较已有的燃烧振荡控制技术，本发明具有以下优点：

（1）基于双侧点压力波动技术，通过声学分析理论，可以更好地预测燃烧设备内燃烧振荡以及压力波动特性，作为控制燃烧振荡问题的基础。

（2）控制结构中使用的消音器具有共振腔室容积可调的特点，可以根据燃烧振荡的发生频率进行调整，从而提高燃烧振荡的频段控制范围。

（3）控制结构中加了冷却空气进口，可以对消音器进行有效冷却，保证了使用寿命和控制的可靠性。

（4）所设计的压力波动引出管设计了半无限长管，可以有效减小压力谐波的影响。

（5）控制方案结合燃烧振荡的特性，并借助有效的控制算法，可以得到最合理的控制方案。

附图说明

图1 为本发明采用消音器内布置的燃烧振荡控制结构的示意图。

图2 为本发明采用消音器外布置的燃烧振荡控制结构的示意图。

其中，附图标记为：11烧嘴，12燃烧室，13火焰区域，14燃烧设备壳体，21消音器喉部，22冷却空气进气口，23活塞，24消音器，25阀杆，26阀杆外套，27伺服电机，28电机控制器，31压力波动引出管一，32压力波动引出管二，33半无限长管一，34半无限长管二，35压力波动传感器一，36压力波动传感器二，41传感器信号引出线一，42传感器信号引出线二，43动态信号调理放大器，44压力波动信号导线一，45压力波动信号导线二，46动态信号采集及处理器，47控制信号导线。

具体实施方式

实施例1

一种用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，包括消音器及其控制机构、压力波动测量设备、信号采集和处理控制器。

所述燃烧振荡控制结构可用于的燃烧设备包括燃气轮机、燃气锅炉、燃油锅炉或各种工业用燃烧机，所述燃烧设备主要包括烧嘴11、燃烧室12、火焰区域13、燃烧设备壳体14。

烧嘴11可以是预混烧嘴或扩散烧嘴，用来燃烧气体或者液体材料。

燃烧室12根据实际需要可以采用金属材料或者耐火材料，燃烧室12与燃烧设备壳体14之间往往存在夹层，夹层内可以是空气（如燃气轮机），或者隔热材料（高温窑炉）或者冷却介质（如冷却水设计的锅炉）等。

所述消音器及其控制机构包括腔室体积可调的消音器和腔室体积调节机构，腔室体积调节机构包括活塞23、阀杆25、阀杆外套26、伺服电机27、电机控制器28，活塞23设置于消音器的腔室内并将消音器24的腔室分成上腔室和下腔室，下腔室与燃烧设备的燃烧室12联通，活塞23上端与阀杆25相连，穿过上腔室的顶部与阀杆外套26套接，伺服电机27安装于阀杆外套26外部，阀杆25经伺服电机27驱动，伺服电机27通过电机控制器28控制启动。

所述下腔室的侧壁开设有冷却空气进气口22，冷却空气从冷却空气进气口22引入下腔室，然后经消音器喉部21进入燃烧室12，用以防止高温烟气回流进入消音器的下腔室造成活塞23及消音器24的损坏。

所述消音器及其控制机构的工作原理是：伺服电机27驱动，使得活塞23可以上下运动，用以控制上下腔室的体积；所述燃烧室12内的压力波动从消音器喉部21进入下腔室，在下腔室内形成压力振荡，压力振荡从消音器喉部21返回燃烧室12内，与燃烧室12内的压力波动叠加，用来抑制燃烧振荡过程。应用中，根据燃烧室12内的燃烧振荡可能出现的频段范围，合理的设计消音器的体积、直径、长度以及活塞23的行程。

所述燃烧设备的燃烧室12还连接有穿出燃烧设备壳体14的压力波动引出管一31和压力波动引出管二32；位于燃烧设备壳体14外部的压力波动引出管一31和压力波动引出管二32的管壁上分别安装有压力波动传感器一35和压力波动传感器二36，用以测量燃烧室12内的压力波动；为了防止压力波动引出管内压力波动谐波的影响，位于燃烧设备壳体14外部的压力波动引出管一31和压力波动引出管二32的端部分别安装有半无限长管一33和半无限长管二34；压力波动传感器一35和压力波动传感器二36分别通过传感器引出线一41和传感器引出线二42连接至动态信号调理放大器43，动态信号调理放大器43分别通过压力波动信号导线一44、压力波动信号导线二45连接至动态信号采集及处理器46。

所述压力波动引出管一31和压力波动引出管二32与燃烧室12壁面上开设的引压孔连接。

所述电机控制器28通过控制信号导线47连接至动态信号采集及处理器46。

所述燃烧振荡控制结构的工作原理如下：

通过压力波动传感器一35和压力波动传感器二36测量燃烧室12内的压力波动，测得的压力波动信号分别经过传感器引出线一41和传感器引出线二42传输进入动态信号调理放大器43，经过处理后的信号再分别经过压力波动信号导线一44和压力波动信号导线二45进入动态信号采集及处理器46；动态信号采集处理器46记录两个位置的压力波动信号，通过动态信号分析和建立的声学模型，计算得到消音器特性，并得到消音器24下腔室的体积，进而确定活塞23的位置和伺服电机27的行程，从而形成控制指令，通过控制信号导线47，发给电机控制器28。

在应用本燃烧振荡控制方案之前，需要对燃烧设备的燃烧振荡特性进行测量，形成数据库。需要基于是声学理论和双测点是声学信号分析，需要考虑从冷却空气进气口22进入的冷却空气的影响，结合燃烧振荡的特性，合理的设计消音器24的尺寸、直径和活塞23的行程。压力波动传感器需要考虑压力波动引出管造成的相位变化。

根据实际燃烧设备燃烧振荡特性，可以在燃烧室12上布置一个或者多个消音器及控制组件，以实现对更多模态的燃烧振荡的控制。

根据燃烧设备的具体特点，可以将消音器布置在燃烧室12和燃烧设备壳体14之间的区域，如图1中应用在燃机中的情况。所述消音器24通过消音器喉部21穿过燃烧设备壳体14与燃烧设备的燃烧室12联通，消音器24的上下腔室及其控制机构均位于燃烧设备壳体14的外部。此时，伺服电机27位于燃烧设备壳体14外的低温环境中。

通过以上设计，可得到一种稳定可靠、适用范围较广、控制策略灵活的燃烧振荡控制结构。

实施例2

一种用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，包括消音器及其控制机构、压力波动测量设备、信号采集和处理控制器。

设计消音器及其控制机构时，将消音器24布置在燃烧室燃烧设备壳体14之外，如图2中所示。所述消音器24通过消音器喉部21与燃烧设备的燃烧室12联通，消音器喉部21和消音器24的上下腔室均位于燃烧设备壳体14内，阀杆25和阀杆外套26穿过燃烧设备壳体14，伺服电机27布置于位于燃烧设备壳体14外部的阀杆外套26上。

通过以上设计，同样可得到一种稳定可靠、适用范围较广、控制策略灵活的燃烧振荡控制结构。

Claims (11)

1.一种用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，其特征在于：包括消音器及其控制机构、压力波动测量设备、信号采集和处理控制器；信号采集和处理控制器通过压力波动测量设备采集压力波动信号，进行动态信号分析和建立的声学模型，计算得到消音器特性，然后通过控制机构调节消音器，经消音器加强压力波动的耗散，从而抑制或消除燃烧振荡；

所述消音器及其控制机构包括腔室体积可调的消音器和腔室体积调节机构，腔室体积调节机构包括活塞（23）、阀杆（25）、阀杆外套（26）、伺服电机（27）、电机控制器（28），活塞（23）设置于消音器的腔室内并将消音器（24）的腔室分成上腔室和下腔室，下腔室与燃烧设备的燃烧室（12）联通，活塞（23）上端与阀杆（25）相连，穿过上腔室的顶部与阀杆外套（26）套接，伺服电机（27）安装于阀杆外套（26）外部，阀杆（25）经伺服电机（27）驱动，伺服电机（27）通过电机控制器（28）控制启动。

2.根据权利要求1所述的用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，其特征在于：所述下腔室的侧壁开设有冷却空气进气口（22），冷却空气从冷却空气进气口（22）引入下腔室，然后经消音器喉部（21）进入燃烧室（12）。

3.根据权利要求2所述的用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，其特征在于：所述消音器通过消音器喉部（21）穿过燃烧设备壳体（14）与燃烧设备的燃烧室（12）联通，消音器的上下腔室及其控制机构均位于燃烧设备壳体（14）的外部。

4.根据权利要求2所述的用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，其特征在于：所述消音器通过消音器喉部（21）与燃烧设备的燃烧室（12）联通，消音器喉部（21）和消音器的上下腔室均位于燃烧设备壳体（14）内，阀杆（25）和阀杆外套（26）穿过燃烧设备壳体（14），伺服电机（27）布置于位于燃烧设备壳体（14）外部的阀杆外套（26）上。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，其特征在于，所述消音器及其控制机构的工作原理是：伺服电机（27）驱动，使得活塞（23）上下运动，用以控制上下腔室的体积；所述燃烧室（12）内的压力波动从消音器喉部（21）进入下腔室，在下腔室内形成压力振荡，压力振荡从消音器喉部（21）返回燃烧室（12）内，与燃烧室（12）内的压力波动叠加，用来抑制燃烧振荡过程。

6.根据权利要求1所述的用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，其特征在于，所述压力波动测量设备、信号采集和处理控制器的设计如下：与燃烧设备的燃烧室（12）还连接有穿出燃烧设备壳体（14）的压力波动引出管一（31）和压力波动引出管二（32）；位于燃烧设备壳体（14）外部的压力波动引出管一（31）和压力波动引出管二（32）的管壁上分别安装有压力波动传感器一（35）和压力波动传感器二（36），用以测量燃烧室（12）内的压力波动；位于燃烧设备壳体（14）外部的压力波动引出管一（31）和压力波动引出管二（32）的端部分别安装有半无限长管一（33）和半无限长管二（34）；压力波动传感器一（35）和压力波动传感器二（36）分别通过传感器引出线一（41）和传感器引出线二（42）连接至动态信号调理放大器（43），动态信号调理放大器（43）分别通过压力波动信号导线一（44）、压力波动信号导线二（45）连接至动态信号采集及处理器（46）。

7.根据权利要求6所述的用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，其特征在于，所述压力波动引出管一（31）和压力波动引出管二（32）与燃烧室（12）壁面上开设的引压孔连接。

8.根据权利要求6所述的用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，其特征在于，所述电机控制器（28）通过控制信号导线（47）连接至动态信号采集及处理器（46）。

9.根据权利要求8所述的用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，其特征在于，所述燃烧振荡控制结构的工作原理如下：通过压力波动传感器一（35）和压力波动传感器二（36）测量燃烧室（12）内的压力波动，测得的压力波动信号分别经过传感器引出线一（41）和传感器引出线二（42）传输进入动态信号调理放大器（43），经过处理后的信号再分别经过压力波动信号导线一（44）和压力波动信号导线二（45）进入动态信号采集及处理器（46）；动态信号采集处理器（46）记录两个位置的压力波动信号，通过动态信号分析和建立的声学模型，计算得到消音器特性，并得到消音器（24）下腔室的体积，进而确定活塞（23）的位置和伺服电机（27）的行程，从而形成控制指令，通过控制信号导线（47），发给电机控制器（28）。

10.根据权利要求1或9所述的用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，其特征在于，所述燃烧振荡控制结构所适用的燃烧设备包括燃气轮机、燃气锅炉、燃油锅炉或各种工业用燃烧机。

11.根据权利要求1或9所述的用于燃烧设备的燃烧振荡控制结构，其特征在于，根据实际燃烧设备燃烧振荡特性，在燃烧设备的燃烧室（12）上布置一个或者多个消音器及控制机构。