CN115789703A - 一种可调射流角度以控制热声振动和NOx排放的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可调射流角度以控制热声振动和NOx排放的装置，包括：反应气通道、可调射流角度装置、燃烧室、反馈控制系统；可调射流角度装置固连在反应气通道与燃烧室的交界处，反应气从反应气通道进入燃烧室后燃烧形成火焰；反馈控制系统与电动伸缩装置连接，控制电动伸缩装置轴向运动，带动驱动盘实现轴向运动；曲柄连杆机构将驱动盘的轴向运动转化为空心阶梯轴的周向转动，进一步带动槽型喷嘴转动，从而改变射流旋流强度，实现对热声振动和NOx排放的协同控制。本发明能实时调节射流旋流强度，以优化对热声振动和污染物NOx排放协同在线控制的效果，且适应于机组大范围变工况的情况，装置制作简单且易操作，具有普适性。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧热声不稳定控制领域，尤其涉及一种可调射流角度以控制热声振动和NOx排放的装置。
背景技术
热声振动现象是由燃烧过程火焰热释放振荡和声波振荡之间的反馈引起的，热声振动现象的出现主要取决于系统的特性和运行条件。其中系统特性指的是燃烧器固有声波模态，而运行条件则包括:燃料/氧化剂供给、燃料/氧化剂当量比、液体燃料的混合、雾化与蒸发等。
热声振动在地面发电用燃气轮机及航空发动机贫预混工况条件下的频繁发生，限制了以优化污染物NOx排放为目的的贫预混燃烧技术的发展，当周期性的热声振动持续出现时，将影响燃气轮机及航空发动机的正常运行，严重的将引起动力系统的永久性失效。
由上述可知，控制热声振动现象对燃气轮机及航空发动机的稳定运行十分关键，同时，随着国际社会对大气环境中污染物排放的要求日益苛刻，反观燃气轮机及航空发动机排放的污染物NOx，对人体健康及生态环境均具有较大破坏，在强光照射下，NOx与CH化合物反应将生成浅蓝色的有毒烟雾，即，光化学烟雾，光化学烟雾中的O、PAN和H2SO4对人体的眼、鼻、心、肺及造血组织产生较强的刺激和损害，而且PAN还具有致癌作用。此外，在高空等温层中较多的N2O将破坏臭氧层，加剧全球的温室效应。由此可见，热声振动与污染物NOx的排放的协同控制对于燃气轮机及航空发动机的安全达标运行至关重要，为此，研究者通常采用两种控制方法，即，主动控制方法与被动控制方法实现热声振动与污染物NOx的排放的协同控制。
现有技术中，传统被动控制热声振动的方法，如霍姆赫兹谐振管、声衬、四分之一和半波纹管及穿孔板等，在一定程度上对热声振动问题能够较好的控制，然而对污染物NOx的排放基本没有影响，甚至较控制前污染物NOx的排放量有所增加。为了满足污染物NOx的排放要求，通常采用贫预混燃烧技术来控制污染物NOx的排放，虽然贫预混燃烧技术在一定程度上减少了污染物NOx的排放，但在另一层面上却引发了热声振动现象。为了实现既能控制热声振动，又能降低污染物NOx排放的目的，近年来研究者发现射流方式的被动控制方法对热声振动及污染物NOx的排放控制，基本能满足上述要求，但在实施方式和控制效果方面有待优化，并且在大范围变工况下的适用性也有待提高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明采用了一种可调射流角度控制热声振动和NOx排放的装置，能协同控制热声振动和抑制污染物NOx的排放，并实现实时同步反馈控制。
具体技术方案如下：
一种可调射流角度以控制热声振动和NOx排放的装置，包括：反应气通道、可调射流角度装置、燃烧室、反馈控制系统；
所述可调射流角度装置固连在所述反应气通道与所述燃烧室的交界处，反应气从所述反应气通道进入所述燃烧室后燃烧形成火焰；
所述可调射流角度装置包括：电动伸缩装置、曲柄连杆结构、空心阶梯轴、安装盘、驱动盘、槽型喷嘴；所述安装盘和所述驱动盘为同轴布置且直径不同的环状结构，所述安装盘的外径小于所述驱动盘的内径；所述安装盘固连在所述反应气通道与所述燃烧室的交界处，所述安装盘的外壁上开设有若干对通孔，所述空心阶梯轴安装在所述通孔中，且其靠近所述安装盘中心的一端与所述槽型喷嘴固连，另一端与所述曲柄连杆机构固连；所述曲柄连杆机构与所述驱动盘的上表面转动连接；所述驱动盘的下表面固连有所述电动伸缩装置；所述空心阶梯轴和所述槽型喷嘴的内部构成射流介质通道，用于向所述燃烧室内通入射流介质；
所述反馈控制系统与所述电动伸缩装置连接，控制所述电动伸缩装置轴向运动，带动所述驱动盘实现轴向运动；所述曲柄连杆机构将所述驱动盘的轴向运动转化为所述空心阶梯轴的周向转动，进一步带动所述槽型喷嘴转动，从而改变射流旋流强度，实现对热声振动和NOx排放的协同控制。
进一步地，其特征在于，所述反应气通道通包括：缩口加速管段、轴向旋流器、钝体；所述轴向旋流器设置在所述反应气通道通往所述燃烧室的出口处，用于改变气流方向；所述缩口加速管段布置在所述轴向旋流器与所述燃烧室之间，所述缩口加速管段的中心固定有用于锚定火焰的钝体。
进一步地，其特征在于，所述反馈控制系统包括：动态压力传感器、NI多通道数字采集卡、控制端、反馈控制器、CCD高速相机、烟气分析仪；所述动态压力传感器用于测量火焰振荡频率及幅值变化，所述CCD高速相机和所述烟气分析仪分别用于测量火焰形态和污染物中NOx的排放浓度；所述动态压力传感器与所述NI多通道数字采集卡连接，CCD高速相机和烟气分析仪与控制端连接，所述NI多通道数字采集卡用于将获得的热声信号转化为数字信号，并输送到控制端，所述CCD高速相机和烟气分析仪的记录结果，同步输送到控制端，所述控制端通过所述反馈控制器发送指令，控制所述电动伸缩装置的伸缩。
进一步地，其特征在于，所述槽型喷嘴的流道由圆形流道渐变至矩形流道，减少流道突变带来的气流扰动。
进一步地，其特征在于，所述射流介质通道内设置有质量流量计，用于调节射流介质的流量大小。
进一步地，其特征在于，所述槽型喷嘴采用耐温超1000℃的合金中的任意一种。
进一步地，其特征在于，所述射流介质为空气、二氧化碳、氢气、氮气、过热蒸气、惰性气体中的任意一种或几种的混合物。
本发明的有益效果是：
(1)本发明控制多个槽型喷嘴相对水平面同步旋转相同的角度，使得燃烧室内形成具有特定旋流强度的射流效果，从而抑制火焰剪切层内外回流区的周期性旋涡脱落过程，进而控制热声振动现象。
(2)本发明通过空心阶梯轴和槽型喷嘴的设计，使其能够注入射流介质，改善了燃烧室内部温度场的分布，抑制局部热点的产生，从而抑制NOx的排放。
(3)本发明通过反馈控制系统和可调射流角度装置的配合，实现依据现场工况的变化来及时调节射流旋流强度，以优化对热声振动和污染物NOx排放协同在线控制的效果。
(4)本发明适应于机组大范围变工况下的热声振动与污染物NOx排放控制，装置制作简单且易操作，具有普适性。
附图说明
图1是本发明可调射流角度以控制热声振动和NOx排放的装置示意图。
图2是本发明的可调射流角度装置示意图。
图3是曲柄连杆结构与驱动盘、阶梯轴配合的结构图。
图4是可调射流角度装置中槽型喷嘴结构的示意图。
图5是在不同旋流射流角度及Ar射流流量的作用下压力幅值的变化曲线。
图6是在不同旋流射流角度及Ar射流流量的作用下NOx浓度的变化曲线。
图中，进气管段1、蜂巢板2、预混管段3、轴向旋流器4、缩口加速管段5、钝体6、可调射流角度装置7、电动伸缩装置8、曲柄连杆结构9、空心阶梯轴10、安装盘11、驱动盘12、槽型喷嘴13、石英玻璃观察窗14、排气段15、燃烧室16。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为以甲烷作为反应气的可调射流角度以控制热声振动和NOx排放的装置示意图。本发明装置包括反应气通道、可调射流角度装置7、燃烧室16、反馈控制系统。燃烧室16固连在反应气通道的上方，甲烷和空气混合后的气流从反应气通道进入燃烧室16后燃烧形成火焰；可调射流角度装置7固连在反应气通道与燃烧室16的交界处，反馈控制系统与可调射流角度装置7连接。
反应气通道从下到上依次由进气管段1、预混管段3、轴向旋流器4、缩口加速管段5固连连接。预混管段3内设置有蜂巢板2，缩口加速管段5中心固定有用于稳焰的钝体6结构。甲烷通过高精度的质量流量计调节流量后输入进气管段1，空气通过高精度的浮子流量计调节流量后也输入进气管段1，甲烷和空气经由进气管段1进入预混管段3充分混合，预混管段3内的蜂巢板2使甲烷和空气混合地更加均匀充分，并减少混合气流过程带来的气流扰动。在预混管段3中混合充分的气流进入轴向旋流器4，由于轴向旋流器4上的旋流叶片作用，产生具有特定旋流强度的气流，使得燃烧室16内火焰根部中心位置产生有利于高温烟气回流，以引燃未燃反应物的低压回流区，从而稳定燃烧室16内火焰的燃烧。同时，为了防止经由轴向旋流器4后的气流流速较低所引起火焰回火现象，在轴向旋流器4与燃烧室16之间设计了缩口加速管段5，以使气流顺利加速喷出，并进入燃烧室16参与燃烧，此外，缩口加速管段5的钝体6结构能够防止火焰脱火及回火现象。反应气通道的设置使最后在燃烧室16中能产生持久稳定燃烧的预混火焰。
如图2所示，可调射流角度装置7包括：电动伸缩装置8、曲柄连杆结构9、空心阶梯轴10、安装盘11、驱动盘12、槽型喷嘴13。安装盘11和驱动盘12为同轴布置且直径不同的环状结构，安装盘11的外径小于驱动盘12的内径；安装盘11通过螺栓连接固连在缩口加速管段5上，安装盘11的外壁上周向均匀开设有四个通孔，空心阶梯轴10安装在通孔中，且其靠近安装盘11中心的一端与槽型喷嘴13的圆形流道口固连并密封，另一端穿过曲柄连杆机构9顶端圆环并与之固连，空心阶梯轴10能随圆环同步绕其轴线转动。如图3所示，曲柄连杆机构9中连杆的顶端与曲柄之间为铰连接，连杆的底端通过转动连接固定在驱动盘12的上表面。驱动盘12的下表面固连有电动伸缩装置8，驱动盘12能在电动伸缩装置8的作用下实现轴向运动。
如图4所示，槽型喷嘴13的流道设计为渐变流道，即由圆形流道渐变至矩形流道，减少流道突变带来的气流扰动。槽型喷嘴13和空心阶梯轴10的内部构成射流介质通道连通，用于向燃烧室16通入射流介质，并通过高精度的质量流量计调节射流介质的流量大小，以防流量计控制效果不佳所引起的流量波动，进而导致的熄火及回火现象。设置射流介质通道与反应气通道互不干涉，用于防止射流介质对进入燃烧室16的燃气流产生干扰。
槽型喷嘴13采用耐温超1000℃的合金中的任意一种，本实施例采用具有良好抗氧化性、耐腐蚀性和耐高温的奥氏体310S铬镍不锈钢，此类不锈钢具有较高百分比的铬和镍，使得槽型喷嘴13结构拥有较好的抗蠕变强度，以便在高温下持续作业；射流介质为空气、二氧化碳、氢气、氮气、过热蒸气、惰性气体中的任意一种或几种的混合物，本实施例中选用惰性射流介质Ar，其初始温度为26℃，射流压力为0.2MPa。
如图1所示，反馈控制系统包括：动态压力传感器、NI多通道数字采集卡、控制端、反馈控制器、CCD高速相机、带有冷凝净化烟气结构的Testo烟气分析仪。燃烧室16的顶端出口设置有排气段15，排气段15与Testo烟气分析仪连通；燃烧室16的壁上设置有石英玻璃观察窗14，石英玻璃观察窗14上开设有通孔，与动态压力传感器连接，用于测量火焰振荡频率及幅值变化。同时，CCD高速相机透过石英玻璃观察窗14采集火焰形态动态变化，用于进一步判定对热声振动和污染物NOx排放的控制效果；燃烧后的高温烟气通过排气段15连接的Testo烟气分析仪，实现去除烟气杂质并对污染物NOx排放进行实时记录。动态压力传感器与NI多通道数字采集卡连接，CCD高速相机、Testo烟气分析仪与控制端连接，NI多通道数字采集卡、控制端、反馈控制器、电动伸缩装置8依次连接，NI多通道数字采集卡用于将动态压力传感器获得的热声信号转化为数字信号，实现模数转换后传输给控制端，同时，CCD高速相机与Testo烟气分析仪分别采集火焰形态和污染物排放结果输送至控制端，控制端通过反馈控制器发送指令，控制电动伸缩装置8的伸缩。
在实际应用中，首先调整四个槽型喷嘴13与水平面的夹角初始值相同，反馈控制系统控制电动伸缩装置8的伸缩，带动驱动盘12进行轴向运动，四个曲柄连杆结构9将驱动盘12的轴向运动转化为空心阶梯轴10的周向转动，进而带动四个槽型喷嘴13同步相对水平面转动相同角度，从而实现射流旋流强度的变化，抑制火焰剪切层内外回流区的周期性旋涡脱落过程，控制热声振动现象；并且注入的射流介质改善了燃烧室16内部温度场的分布，抑制局部热点的产生，从而抑制NOx的排放。同时反馈控制系统实时采集燃烧室16内的热声信号和污染物NOx排放浓度值，根据需求控制电动伸缩装置8，进一步调节射流旋流强度的大小，实现不同运行工况下的热声振动和NOx排放的协同闭环控制。
如图5、图6所示，显示了在甲烷预混燃烧器上设置本发明对于热声振荡及污染物排放的控制效果，其中图5为本实施例在不同旋流射流角度及Ar射流流量的作用下压力幅值的变化曲线，图6为本实施例在不同旋流射流角度及Ar射流流量的作用下NOx浓度的变化曲线。由图可知，在控制过程中可以在不同射流流量工况下实时调节射流旋流角度，进而调节射流旋流强度，以实现最优控制效果，即压力幅值和NOx浓度均较小的情况。
本发明同样适用于变工况下的预混燃烧器，以实现热声振荡与污染物NOx协同控制，依据实时压力及污染物NOx排放信号以在线灵活调节射流旋流角度，从而最大化经济效益，具有普适性。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种可调射流角度以控制热声振动和NOx排放的装置，其特征在于，包括：反应气通道、可调射流角度装置、燃烧室、反馈控制系统；
所述可调射流角度装置固连在所述反应气通道与所述燃烧室的交界处，反应气从所述反应气通道进入所述燃烧室后燃烧形成火焰；
所述可调射流角度装置包括：电动伸缩装置、曲柄连杆结构、空心阶梯轴、安装盘、驱动盘、槽型喷嘴；所述安装盘和所述驱动盘为同轴布置且直径不同的环状结构，所述安装盘的外径小于所述驱动盘的内径；所述安装盘固连在所述反应气通道与所述燃烧室的交界处，所述安装盘的外壁上开设有若干对通孔，所述空心阶梯轴安装在所述通孔中，且其靠近所述安装盘中心的一端与所述槽型喷嘴固连，另一端与所述曲柄连杆机构固连；所述曲柄连杆机构与所述驱动盘的上表面转动连接；所述驱动盘的下表面固连有所述电动伸缩装置；所述空心阶梯轴和所述槽型喷嘴的内部构成射流介质通道，用于向所述燃烧室内通入射流介质；
所述反馈控制系统与所述电动伸缩装置连接，控制所述电动伸缩装置轴向运动，带动所述驱动盘实现轴向运动；所述曲柄连杆机构将所述驱动盘的轴向运动转化为所述空心阶梯轴的周向转动，进一步带动所述槽型喷嘴转动，从而改变射流旋流强度，实现对热声振动和NOx排放的协同控制。
2.根据权利要求1所述的可调射流角度以控制热声振动和NOx排放的装置，其特征在于，所述反应气通道通包括：缩口加速管段、轴向旋流器、钝体；所述轴向旋流器设置在所述反应气通道通往所述燃烧室的出口处，用于改变气流方向；所述缩口加速管段布置在所述轴向旋流器与所述燃烧室之间，所述缩口加速管段的中心固定有用于锚定火焰的钝体。
3.根据权利要求1所述的可调射流角度以控制热声振动和NOx排放的装置，其特征在于，所述反馈控制系统包括：动态压力传感器、NI多通道数字采集卡、控制端、反馈控制器、CCD高速相机、烟气分析仪；所述动态压力传感器用于测量火焰振荡频率及幅值变化，所述CCD高速相机和所述烟气分析仪分别用于测量火焰形态和污染物中NOx的排放浓度；所述动态压力传感器与所述NI多通道数字采集卡连接，CCD高速相机和烟气分析仪与控制端连接，所述NI多通道数字采集卡用于将获得的热声信号转化为数字信号，并输送到控制端，所述CCD高速相机和烟气分析仪的记录结果，同步输送到控制端，所述控制端通过所述反馈控制器发送指令，控制所述电动伸缩装置的伸缩。
4.根据权利要求1所述的可调射流角度以控制热声振动和NOx排放的装置，其特征在于，所述槽型喷嘴的流道由圆形流道渐变至矩形流道，减少流道突变带来的气流扰动。
5.根据权利要求1所述的可调射流角度以控制热声振动和NOx排放的装置，其特征在于，所述射流介质通道内设置有质量流量计，用于调节射流介质的流量大小。
6.根据权利要求1所述的可调射流角度以控制热声振动和NOx排放的装置，其特征在于，所述槽型喷嘴采用耐温超1000℃的合金中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的可调射流角度以控制热声振动和NOx排放的装置，其特征在于，所述射流介质为空气、二氧化碳、氢气、氮气、过热蒸气、惰性气体中的任意一种或几种的混合物。
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