DK149351B

DK149351B - Fremgangsmaade og apparat til regulering af forbraendingen af et fluidt braendsel i et forbraendingskammer

Info

Publication number: DK149351B
Application number: DK561476AA
Authority: DK
Inventors: Bernard Vollering
Original assignee: Fascione Pietro
Priority date: 1975-12-15
Filing date: 1976-12-14
Publication date: 1986-05-12
Also published as: NL7613856A; NO764240L; IT1065352B; FR2335700B1; DK561476A; NO145112B; US4030874A; AT378050B; SE7614031L; CH587444A5; ES454245A1; GB1530950A; NL171623B; FR2335700A1; NL171623C; BE849452A; NO145112C; ATA920176A; SE423441B; DE2657066A1

Description

149351

Opfindelsen omhandler en fremgangsmåde til regulering af forbrændingen af et flydende eller gasformigt brændsel i et forbrændings-kammer og af den i krav l's indledning angivne art.

Det er kendt at forøge forbrændingens nyttevirkning ved at recirkulere en del af røggasserne med disses indhold af uforbrændte partikler til brænderen sammen med den friske forbrændingsluft.

Fra de tyske fremlæggelsesskrifter nr. 23 18 157 og 24 27 819 kendes anordninger af denne art, hvor blandingsforholdet holdes konstant.

2 149351

Ved recirkulationen af røggasserne kan der imidlertid i recirkulationskredsen dannes stående svingningsbølger, som indvirker skadeligt på forbrændingen, udvikler støj og endog kan slukke flammen.

Opfindelsen bar til formål at tilvejebringe en fremgangsmåde til afhjælpning af de skadelige trykvariationer i forbrændingskammeret.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved at regulere blandingsforholdet i forhold til dettes nominalværdi som angivet i krav 1's kendetegnende del.

Opfindelsen omhandler også et apparat til foretagelse af den fornødne regulering og af den i krav 4's indledning angivne art, hvilket apparat er ejendommeligt ved den i krav 4's kendetegnende del angivne konstruktion.

Opfindelsen forklares nærmere nedenfor i forbindelse med tegningen, hvor fig. 1-7 er strømskemaer for syv forskellige udførelsesformer for fremgangsmåden ifølge opfindelsen.

Strømskemaet på fig. 1 viser et forbrændingskammer CC, en brænder BR, der fødes fra en ventilator VE, hvis indgang er forbundet med et blandekammer CM, og hvis udgang udmunder i forbrændingskammeret CC. Dette kammer er forbundet med en udledningskanal CE for røggasserne. Kanalen CE er. forbundet med en indgang til blandekammeret CM igennem en recirkulationsledning CR. En ventil V^ regulerer gennemgangstværsnittet af recirkulationsledningen CR. En anden indgang til blandekammeret CM er forbundet med atmosfæren over en ventil V2, der afgrænser gennemgangstværsnittet for luften til blandekammeret CM.

Fremgangsmåden til stabilisering af forbrændingen består i at måle det øjeblikkelige tryk P i forbrændingskammeret CC, hvilket tryk sammenlignes med middeltrykket P~,og at ændre den øjeblikkelige

CC

3 149351 recirkulationsmængde R af røggasserne, så snart det øjeblikkelige tryk P__ afviger med en bestemt værdi fra middeltrykværdien cc cc

Recirkulationsmængden R forøges, såfremt øjeblikstrykket P__ sti-ger, og formindskes, såfremt dette tryk synker. Når recirkulationsmængden forøges, formindskes oxygenindholdet af forbrændingsluftblandingen, forbrændingen bliver svagere og flammetemperaturen synker samtidigt med det øjeblikkelige tryk P . Efterhånden som

CC

Pcc nærmer sig til Pcc, ændres recirkulationsmængden R således, at den nærmer sig sin middelværdi 5.

Som vist nedenfor er det ved et passende valg af de forskellige parametre af anlægget på fig. 1 muligt at tilvejebringe disse variationer automatisk ved absolut statiske midler.

Tildeles hver af ventilerne og V2 en faktor K, er deres øjeblikkelige gennemløbsmængde givet ved formlen * - Κ\/^Γ hvor ΔΡ00 angiver trykdifferensen imellem ventilens indgang og udgang.

Følgelig er de øjeblikkelige gennemløbsmængder af røg og luft, ih« henholdsvis ih givet ved formlerne X 9.

ihf = + Åihf 4a - K * A\ hvor og er middelgennemløbsmængdeme og A*a og er variationerne i forhold til disse mængder.

U 9351 4

Den øjeblikkelige recirkulationsmængde R af forbrændingsgasserne er givet ved forholdet R = 3— *a

Variationerne Δ Λ og Δ du i forhold til middelgennemløbsmængderne er givet ved ligningerne AAa = - Β.ΔΪ, - - 0-APm hvor svarer til variationerne af det minimale tryk i anlægget, d.v.s. det tryk, der hersker i blandekammeret CM, E eller = Patm ’ ^ <> °> , 2APa hvor er det atmosfæriske tryk, og C = j··^ A , hvor ®f A = X i < o] og = Ψ - P^ (> 0) 2APf ’ hvor P er middeltrykket i udløbskanalen CE, og U9351 5 2Δ^

Χ " i S ί<θΙ ’ hV°r Δΐζ = ^ - F

og I = + 5ζ og hvor er anlæggets maksimale middeltryk ved udgangen af ventilatoren VE, og hvor S svarer til hældningen med modsat fortegn af ventilatoren i driftspunktet af karakteristikkurven ΔΡ/Λ for denne ventilator. Da denne hældning er negativ, fungerer ventilatoren i det nedstigende parti af kurven, og S er altså en parameter med positiv værdi.

Antages det, at trykvariationen ΔΡ.„ i forbrændingskammeret er

CC

positiv, er tryksvingningen APm i forbrændingskammeret større end nul, altså 4*a < 0, og i udtrykket β R vll aftage.

a

To tilfælde er imidlertid mulige: 1. Såfremt C > 0 er δ*^<0. Man må da undersøge, om |i4f|>|a±a|.

Dette tilfælde undersøges nærmere nedenfor.

2. Såfremt C<0 er Δ&ς> 0, og R vil vokse. Dette tilfælde svarer til A> 1 eller <0. Tilfældet A<0 svarer til X<0.

Denne forøgelse af den øjeblikkelige gennemstrømningsmængde R for røggasserne formindsker forbrændingsintensiteten, hvilket bevirker en sænkning af flammetemperaturen. Følgelig vil øjeblikstrykket P i forbrændingskammeret aftage og medføre en formind-cc skelse af R.

Reaktionstiden er meget kort, fordi informationerne overføres med lydens hastighed, og såfremt recirkulationskredsen har en længde på 1 m, overføres ordren på mindre end 0,03 s under hensyn til, at gastemperaturen er af størrelsesordenen 200-250°C.

6 149351

Nedenfor følger en nærmere analyse af tilfældet C > 0, der svarer til X>0.

For at analysere anlæggets adfærd er det nødvendigt at undersøge indflydelsen af A.

Er C>0, skal værdien af A ligge imellem 0 og 1. Er 0<A<0,5» er C <B, og R vokser lidt, fordi |Aifif | < j Δ i&a j.

Er 0.,5< A<1, er C>B, og R aftager, fordi |Δώ&|.

Fænomenet er ustabilt, og tryksvingningerne forværres. Denne drift medfører til sidst en slukning af flammen.

For C < 0 har man som vist A> 1 eller <0. Værdierne A< 0 svarer til X<0, og korrektionsvirkningen er svag. For A>1 har man X> 0, og korrektionsvirkningen er kraftig.

Følgelig er parametrene S og S bestemt dels af gennemstrømningsmængden i forbrændingskammeretsom er en funktion af dettes effekt, af luftoverskudsmængden og recirkulationsmængden R af forbrændingsgasserne, og dels af karakteristikkurven ΔΡ/å af ventilatoren, idet hældningen S er bestemt ved lokaliseringen af driftspunktet langs denne kurve. Hældningen S er fortrinsvis valgt stor af hensyn til stabiliteten af forbrændingen, uafhængigt af fænomenerne i forbindelse med recirkulationskredsen.

Den matematiske analyse viser, at da Pa^.m er en konstant og P kun er lidt mindre end Pai.m, kan man for en bestemt total gennemstrømningsmængde S og røggennemstrømningsmængde fastsætte værdierne af APa og ZpJ som funktion af effektiviteten af den ønskede korrektionsvirkning for anlægget. Det er da tilstrækkeligt at regulere ventilerne V^ og V2 således, at ΔΡ^ og APjy antager de ønskede værdier, for at give størrelserne A, B, C og X de værdier, der svarer til den ønskede korrektionsvirkning.

Fordelene ved denne helt passive reguleringsart er indlysende. Anlæggets regulering sker én gang for alle og ændres ikke ved slid eller svigtende virkning af et organ. Følgelig er driftssikkerheden 7 149351 af denne udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen meget stor. Endvidere er denne selvstabilisering af forbrændingen opnået på simpel måde ved en passende dimensionering og regulering af komponenterne i recirkulationskredsen for forbrændingsgasserne, så den praktisk taget ingen indflydelse har på fremstillingsprisen.

At kunne recirkulere forbrændingsgasserne og automatisk forøge den øjeblikkelige recirkulationsmængde samtidigt med forøgelsen af det øjeblikkelige tryk i forbrændingskammeret og omvendt udgør et afgørende skridt dels inden for recirkulationsteknikken og dels i forbrændingsstabiliseringsteknikken. Ved hjælp af opfindelsen kan recirkulationen af forbrændingsgasser overgå fra forsøgsstadiet til det industrielle stadium.

Fig. 2 viser en ændret udførelsesform i forhold til fig. 1, hvor blandekammeret CM er anbragt bag ved to ventilatorer VE^ og VE2, og hvor en akkumulatorbeholder RS er anbragt imellem ventilatoren VE2 og blandekammeret CM, hvis udgang er forbundet med hovedet af brænderen BR. Ventilerne V-^ og V2 er anbragt henholdsvis imellem ventilatoren VE2 og blandekammeret CM og imellem dette kammer og ventilatoren VE^ En lyddæmper AA er også anbragt imellem ventilatoren VE2 og beholderen RS. Beholderen RS er direkte forbundet med forbrændingskammeret CC igennem en forbindelsesledning CL, hvis lysning er meget mindre end lysningen af recirkulationsledningen CR.

Ventilatorerne VE^, VE2 og ventilerne V-^, V2 er dimensioneret og reguleres som en funktion af forholdet R imellem de middelgennemstrømning smængder af røg og luft, som ønskes, og lyddæmperen AA er bestemt til at forhindre gennemgangen af tryksvingningerne imod beholderen RS, som derfor kun modtager trykvariationerne igennem forbindelsesledningen CL. Hvis derfor det øjeblikkelige tryk Pcc i kammeret CC stiger, stiger trykket også i kammeret CM og i beholderen RS. Udsat for et højere tryk skal ventilatoren VE1 levere luft med et ligeledes højere tryk ved bevægelse af ventilatorens driftspunkt på dens karakteristikkurve ΔΡ/å og samtidigt nedsætte gennemstrømningsmængden. Da trykket i beholderen RS stiger 8 149351 samtidigt med trykket i kammeret CM, kan man heraf udlede, at forholdet R vokser så meget desto mere, som trykfaldene igennem ventilerne V^ og V2 reguleres korrekt, i overensstemmelse med den tidligere udviklede matematiske analyse.

Fordelen ved denne udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfin-• delsen er den adskilte transport af forbrændingsgasserne og informationen, d.v.s. trykket F . Dette er navnlig betydningsfuldt vv for store anlæg, hvor afstandene er væsentlige, af størrelsesordenen flere dekameter. I dette tilfælde er det nemlig nødvendigt, at informationen ikke faseforskydes i forhold til det fænomen, som man ønsker at korrigere for. Hvis recirkulationsmængden af røggasserne som følge af en forsinket information vokser, når tryk-svingningen har en mindre værdi end middeltrykket i forbrændingskammeret, vil man opnå en modsat virkning af den søgte og komme i resonans med trykvariationerne. Et sådant fænomen skal naturligvis undgås. Denne fejl kan netop undgås takket være forbindelsesledningen CL, hvis længde der kan ses bort fra. Reaktionstiden er derfor meget kortere end den tid, der ellers ville være nødvendig. Lyddæmperen AA er anbragt for at forhindre signalet i at nå frem til beholderen RS igennem recirkulationsledningen CR efter en vis tidsforskydning.

Fig. 3 viser en ændret udførelsesform for stabiliseringsfremgangsmåden på fig. 2 i forbindelse med en gasturbine. Gasturbinen omfatter selve turbinen TU, kompressoren CP fastkilet på turbineakselen og forbrændingskammeret CC med det foran dette anbragte blandekammer CM, som er forbundet dels til kompressoren CP og dels til udgangen af ventilatoren VE, der ligeledes er fastkilet på turbineakselen. Indgangen til ventilatoren VE er forbundet med udgangen af forbrændingskammeret CC, så at en del af forbrændingsgasserne unddrages tilgangsledningen til turbinen TU. Ventilatoren VE tjener til at forøge trykket af forbrændingsgasserne for at genindføre dem i blandekammeret CM. Analogt med processen i eksemplet på fig. 2 er det muligt at indrette anlægget således, at den øjeblikkelige trykforøgelse i forbrændingskammeret omsættes til en forøgelse af recirkulationsmængden af forbrændingsgasserne.

9 149351

De hidtil beskrevne anvendelser iværksætter automatisk fremgangsmåden ved hjælp af passive midler. Fig. 4 viser en anvendelse, hvor stabiliseringen opnås automatisk dels ved hjælp af passive midler og dels ved hjælp af aktive midler.

Strømskemaet på fig. 4 er identisk med skemaet på fig. 1 med den eneste forskel, at en afgreningsledning CD forbinder forbrændingskammeret CC med udgangen af ventilatoren VE.

Under normal forbrænding fremkalder anlægget, når det reguleres ifølge de for udførelseseksemplet på fig. 1 angivne kriterier, den automatiske korrektion af recirkulationsmængden af røggasserne som i anlægget på fig. 1. Afgreningsledningen CD styres af en sikkerhedsventil CT, der underkastes et fjedertryk valgt som en funktion af det tryk, hvor ventilen skal åbne. Når dette tryk er væsentligt større end middeltrykket P~7 i forbrændingskammeret, virker alene den automatiske korrektion nøjagtigt som i eksemplet på fig. 1.

Så snart det øjeblikkelige tryk i forbrændingskammeret overskrider den fastsatte værdi, åbner ventilen CT, og afgreningsledningen CD indfører et overskud af røg i tilgangsledningen til brænderen BR.

I praksis er denne udførelsesform særlig anvendelig til store kedler, hvor starttrykket stiger kraftigt i antændingsøjeblikket for brændstoffet. Hvis man i dette tilfælde kun disponerer over den passive automatiske korrektion, virker denne alt for langsomt, især hvis den er indreguleret til en svag eller middel korrektion, og det er da værdifuldt at disponere over et meget mere effektivt indgrebsmiddel i startøjeblikket. Ved denne indgrebsart med en stor recirkulation af forbrændingsgasser undgås, at overtrykket i forbrændingskammeret CC slukker flammen.

Medens indføringen af røgen i den på fig. 4 viste udførelsesform sker efter ventilatoren VE, d.v.s. uden særskilte forholdsregler til blanding af røgen med forbrændingsluften, er det muligt som i den på fig. 5 viste udførelsesform at tilvejebringe to blande-kamre CM-^ og CMg. Kammeret CM-^ har nøjagtig den samme funktion som blandingskammeret i de hidtil beskrevne udførelsesformer, hvorimod blandingskammeret CM2 er bestemt til at blande de igennem afgreningsledningen CD tilførte røggasser, når den justerede 149351 ίο ventil CT har åbnet sig. Blandingskammeret CM2 muliggør således at opblande luftens oxygen i den samlede mængde af forbrændingsluft, som tilføres til brænderen BR, selv under start.

I alle de hidtil beskrevne udførelsesformer opnås det væsentlige for stabiliseringsprocessen ved et omhyggeligt valg af de parametre, som varierer den recirkulerende mængde af røggasser R ifølge en lov, som opfylder Rayleigh-kriteriet, ifølge hvilken der for at dæmpe de af en forbrænding resulterende tryksvingninger under en svingningscyklus skal gælde j) Η P dt < 0. I de beskrevne eksempler opfylder alene den recirkulation, der stammer fra overtrykket som følge af start, de aktive midler.

Det forstås, at fremgangsmåden ifølge opfindelsen også kan udøves ved hjælp af kun aktive midler.

Dette er vist på fig. 6, der viser et strømskema svarende til strømskemaet på fig. 2. I dette tilfælde overføres informationen dog eksempelvis fra en piezoelektrisk trykopfanger CP til indgangen af en styresignalgenerator GS, hvis udgang er forbundet med en spole SO, der omgiver en blødtjernskerne i fast forbindelse med en deformerbar væg PA i akkumulatorbeholderen RS.

I denne udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen fastlægges middelrecirkulationsmængden af røggasserne forud som for de andre udførelsesformer. Trykket i akkumulatorbeholderen RS forøges eller formindskes som en direkte funktion af trykvariationerne ΔΡ^ i forbrændingskammeret CC, hvilket forøger eller formindsker vv recirkulationsmængden af forbrændingsgasserne.

En anden udførelsesfonm for aktiv styring af variationerne af recirkulationsmængden er vist på fig. 7, hvor recirkulationsledningen CR udmunder i en cylinderventil VT, i hvilken den ene ende af stemplet p er forspændt af en fjeder r, der sammenpresses imellem stempelenden og en tilsvarende ende af ventilkammeret. Den anden ende af ventilkammeret er forbundet med forbrændingskammeret CC over en forbindelsesledning CL. Kammeret i ventilen VT har to udgange, s-^ og s2, som er forbundet henholdsvis til udløbskanalen

Claims

149351 CE og til udgangen af ventilatoren VE^. Fjederen r er justeret til en bestemt middelrecirkulation, idet enhver forøgelse af trykket Pcc i kammeret CC omsættes til en forskydning af stemplet p imod trykket af fjederen r og omvendt, og idet ventilen er bestemt til at forøge henholdsvis formindske den øjeblikkelige recirkulationsmængde R.

1. Fremgangsmåde til regulering af forbrændingen af et flydende eller gasformigt brændsel i et forbrændingskammer (CC), hvor en del af røggassen udtages og blandes med en gas indeholdende oxy~ gen til dannelse af den forbrændingsnærende gas, kendetegnet ved, at der fastsættes en nominalværdi for blandingsforholdet imellem røggas og den oxygen indeholdende gas, at det øjeblikkelige tryk i forbrændingskammeret (CC) måles, og at blandingsforholdet forøges over nominalværdien, når trykket i kammeret stiger, og formindskes under nominalværdien, når trykket i kammeret falder.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at røggassen og den oxygen indeholdende gas komprimeres uafhængigt af hinanden, før de blandes.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at røggassen oplagres under et tryk i det væsentlige større end og uafhængigt af det øjeblikkelige tryk i forbrændingskammeret, fra hvilket lager den til blandingen nødvendige del af røggassen udtages.

4. Apparat til regulering af forbrændingen af et flydende eller gasformigt brændsel i en brænder (BR) i et forbrændingskammer (CC), i hvilket der under forbrændingen hersker et tryk over atmosfærens tryk, og omfattende et blandekammer (CM) til blanding af en del af røggassen fra kammeret med en oxygen indeholdende gas til dannelse af den forbrændingsnærende gas i et fastsat nominalværdiforhold, kendetegnet ved et reguleringsorgan (V^,