燃气轮机燃烧室（精选10篇）
燃气轮机燃烧室 第1篇
国外现有生产微型燃气轮机的公司, 具有生产涡轮增压器或小型燃气轮机的经验。在此基础上, 将先进的高速发电机和变频技术相结合, 在近10年左右发展了新概念的微型燃气轮机发电机组。我国也曾成功研制和生产过小型燃气轮机。正在努力寻求高速发电机、高效板式回热器、空气轴承等方面的突破[3]。分布式发电及热 (冷) 电联产系统的大力推广也将对微型燃气轮机发电机组的发展起到重要的推动作用[4]。国家科技部在“十五”、“十一五”863计划中, 重点资助了“100 k W微型燃气轮机动力系统”的研究, 并且现在我国很多机构和组织也正在大力研究发展微型燃气轮机。其中, 李军军等[5]利用Matlab建立了微型燃气轮机分布式发电系统的动态模型, 研究得出负荷变化情况下, 该系统具有较好的稳定性;刘哲昊[6]利用VC++软件通过C语言对微型燃气轮机模型进行程序编写, 对不同工况进行稳态以及动态仿真;沈煜欣[7]利用CFD软件进行数值模拟, 考察微型燃气轮机的工作特点和流动特征。
燃烧室是燃气轮机的关键部件之一, 其几何结构和内部流动极其复杂, 设计难度较高[8]。相比于实验方法, 数值模拟的方法不仅可降低成本, 减少人力物力的消耗, 还能缩短设计周期。现采用数值模拟的方法深入探索燃烧室内的流场结构, 对比分析一次风旋流器叶片数目及安装角度对燃烧室性能的影响, 以作出合理优化。
1 物理模型及数值模拟方法
1.1 几何模型
王晋声[9]在已有的燃烧室流体域三维实体模型的基础上, 采用UG软件依次更改一次风旋流器叶片数目以及角度进行模拟计算。叶片数目分别取:12、18、24、30;叶片安装角度分别取:40°、45°、50°、55°。图1给出了燃烧室模型结构图, 图2给出了模型流体域局部图。
1.2 网格划分
燃烧室结构比较复杂, 故沿用已有的10个子域, 采用ICEM软件分别划分结构化网格后再拼接。为便于划分网格, 将每一子域根据具体结构沿周向平均拆分, 取其中之一进行六面体网格划分。同时为提高后期模拟计算准确性, 在附面层以及空气与燃料入口处进行网格局部加密。图3给出了网格分块示意图。
按照图3所示的分块方式, 1~10块结构网格划分见图4。
经过正确的的网格划分, 最终保证了网格质量均在0.3以上。完成网格划分后, 将cfx5文件导入Ansys CFX-Pre中, 并根据每一区域实际数目旋转复制网格, 最终完成燃烧室流体域完整网格绘制, 网格数目大约500万。右图 (图5) 给出了完整的六面体结构化网格划分图。
1.3 数值模拟方法
数值模拟采用ANYSY CFX软件进行, 边界条件设置以及相关模型设置如表1。
2 数值模拟结果分析
本次模拟意图通过改变一次风旋流器的结构, 进而改变旋流的强弱即回流区的大小, 从而改善燃烧室内物质流动、传热传质、相变、射流等过程, 优化目标参数 (燃烧效率、总压恢复系数、出口一氧化氮浓度、圆筒内壁温度、出口温度分布因子[10]) , 提高燃烧室性能。
2.1 燃烧室内部流场冷态结果分析
图6给出了改变叶片数目时, 空间流场流线图。从图中可以看出:气体流经一次风旋流器、二次风旋流器、轴向旋流器时会产生比较强烈的旋流。燃气与空气充分混合, 进入火焰筒后产生明显的回流区。在不考虑燃烧传热的冷态情况下, 随叶片数目增加, 旋流增强。
图7给出了改变叶片数目时, Z=0截面速度矢量图。从图中可以看出:燃料甲烷从导管进入燃烧室头部与一二次风旋流器空间。空气则由空气入口进入, 分为四部分:第一部分进入掺混孔冷却高温烟气;其余进入头部的空气会产生两次漩涡, 首先进入二次风旋流器, 形成点火二次风;然后绝大部分空气进入一次风旋流器, 形成预混一次风;最后第四部分空气则通过前端环形表面进入轴向旋流器。流体在通过三次旋流器时, 速度明显提高。可见, 旋流器的存在提高了燃料与空气的流动速度, 加强了二者混合。在不考虑燃烧传热的冷态情况下, 随叶片数目增加, 旋流越强, 燃料和空气在通过旋流器后速度提高越明显。
2.2 燃烧室内部流场及燃烧特性分析
以叶片数目为24、叶片安装角度为45°为例, 分析燃烧室内部流场及燃烧特性:
图8给出了各参数云图分布。通过图8 (a) 以及图8 (b) 分析, 空气在通过一次风旋流器后, 速度明显提高。大约可从40 m/s提高到160 m/s左右。旋流区可以促进燃料与空气充分混合, 如若未形成明显漩涡, 则不利于组织稳定的燃烧, 燃烧的火焰在尚未完成充分的燃烧反应之前就将被气流直接吹向下游方向。反之, 形成漩涡过强会造成压力损失偏高。通过图8 (c) 可以看出, 由于火焰筒壁面设置为绝热条件, 外围空气没有参与燃烧反应, 该处流体域温度较低。一次风旋流较强, 燃料与空气在一次风空气中充分混合、燃烧, 使得燃烧室头部会出现较高温度, 此处应该选择耐高温材料。通过图8 (d) 可以看出:火焰筒前端温度较低, 这是由于喷射有一定的角度, 而回流区的存在将会造成该区内壁温度较高。另外在掺混孔处由于高速空气掺混高温烟气形成回流, 造成掺混孔附近内壁温度很高。若气流喷角越大, 则越易贴壁进而导致前端温度越高。通过图8 (e) 可以看出:出口截面中心温度较高, 可达到1 500 K的高温, 这是由于火焰筒出口距离掺混孔的距离过短造成。出口截面中心局部高温区越大, 会造成出口截面处温度分布严重不均。通过图8 (f) 可以看出:空气以较高的压力水平进入旋流器, 之后有非常明显的总压损失。气体进入火焰筒时面积突然变大, 在两级旋流器的作用下, 燃料与空气充分混合, 形成回流区, 造成总压损失。通过图8 (g) 可以看出:燃料甲烷从导管进入燃烧室头部与一二次风旋流器空间。在点火区甲烷浓度最高, 主燃区在预混时浓度较高, 其他区域甲烷浓度基本为零。旋流器的存在有效的延长了甲烷在火焰筒内的停留时间, 只要内部气流速度不是很快, 甲烷均可完全燃烧。通过图8 (h) 可以看出:氧气浓度较低, 造成扩散燃烧。而扩散燃烧的存在将会导致无论怎么样改变叶片数目也无法降低一氧化氮浓度。通过图8 (i) 可以看出:回流区内燃烧反应最强, 因此产生的氮氧化物也最高。通过图8 (j) 可以看出:出口截面中心氮氧化物最多, 一氧化氮排放量均超过100×10-6 (ppm) 。而且改变叶片数目无法降低一氧化氮排放量。
2.3 改变叶片数目及叶片安装角度对目标参数的影响分析
分别改变一次风旋流器的叶片数目及叶片安装角度, 完成热态数值模拟, 得到各目标参数结果, 进行对比分析。其中
2.3.1 改变叶片数目对目标参数的影响分析
从表3可以看出
1) 叶片数目对燃烧效率影响很小, 甲烷均基本完全燃烧, 燃烧效率达到99%以上。
2) 总压恢复系数随叶片数目增加而减小。
3) 一氧化氮排出量随叶片数目增加, 先明显减小, 后变化平缓, 叶片数目为24、30时较低。
4) 内壁温度最高值、最低值、平均值均在叶片数目为12时最低, 且随叶片数目增加呈现略微升高趋势。
5) 出口温度分布因子随叶片数目增加而减小, 即叶片数目增加, 温度分布更为均匀。
综合以上分析:叶片数目为24时燃烧效率以及出口温度分布较好, 排放一氧化氮最低, 只需提高总压恢复系数以及尽量降低壁温。因此, 叶片数目采用24片。
在叶片数目为24的条件下, 改变叶片角度进行热态模拟。
2.3.2 改变叶片角度对目标参数的影响分析
从表4可以看出
1) 叶片角度对燃烧效率影响很小, 甲烷均基本完全燃烧, 效率达到99%以上。
2) 总压恢复系数随叶片角度增加而减小。
3) 一氧化氮排出量随叶片数目增加变化很小, 在叶片数目为55°时略高, 50°时最低。
4) 内壁温度最高值、最低值、平均值均在叶片角度为40°时最低, 内壁温度随叶片安装角度增加呈现略微升高趋势
5) 出口温度分布因子随叶片安装角度增加而减小, 即安装角度增加, 温度分布更为均匀。
叶片安装角度变大, 会造成圆筒内壁温度升高, 对圆筒材料造成威胁。虽然温度分布较为均匀, 但压力损失较大, 一氧化氮最多。而安装角度较小时, 以上问题可以避免, 但出口截面温度分布出现不均。综合考虑, 选择叶片安装角度为45°作为最佳结果。
优化后, 叶片数目为24, 叶片安装角度为45°, 燃烧效率99.999 7%, 总压恢复系数94.399 6%, 温度分布因子0.250 2, 排出一氧化氮浓度132.85×10-6 (ppm) , 圆筒内壁最高温度1 400.43 K, 最低温度898.949 K, 平均温度1 180.24 K。
3 结论
利用UG NX以及Ansys软件对微型燃气轮机燃烧室内部流场进行了数值模拟, 优化了目标参数, 改善了燃烧室性能, 得出以下结论:
(1) 通过对叶片数目及安装角度的改变, 在分析了速度场、温度场、压力场、气体分布以及NO生成状况的分布规律后, 得出最佳叶片数目是24片, 最佳叶片角度是45°, 火焰筒内气流旋流状况良好, 既形成了明显的回流区、火焰燃烧稳定, 又没有发生贴壁状况, 避免了高温烟气烧蚀火焰筒壁。
(2) 结构的改变对燃烧室内甲烷的燃烧并无影响, 甲烷基本可保证完全燃烧, 效率均可达到99%以上;随叶片数目或安装角度的增加, 总压恢复系数降低, 出口温度分布因子降低, 圆筒内壁温度升高, 但一氧化氮均较高。
(3) 总压恢复系数较低, 说明对于单罐燃烧室, 其阻力损失较大。
(4) 尾部排放的NO浓度值偏高。可能原因如下:一是扩散燃烧引起, 若通过改变结构将燃烧以预混为主, 可大大降低一氧化氮排放浓度;二是火焰筒前端的燃烧反应的局部温度过高, 若尽量降低该区局部温度, 可减少热力型氮氧化物的生成;三是点火燃料占总燃料的比例会明显影响NO的生成量, 合理改善该比例, 可降低一氧化氮排放。
摘要：为了改进微型燃气轮机结构, 优化燃烧室性能, 采用UG及Ansys软件对微型燃气轮机燃烧室进行几何建模、网格划分、数学及物理模型建立。通过热态数值模拟, 研究了叶片数目为12、18、24、30以及叶片安装角度为40°、45°、50°、55°时的燃烧室内流场及燃烧特性。模拟结果得出:随叶片数目及安装角度的增加, 燃烧室内甲烷燃烧效率基本不变, 均可达99%以上, 总压恢复系数降低, 出口温度分布因子降低, 圆筒内壁温度升高, 但一氧化氮排放无法降低。最终选择叶片数目为24、安装角度为45°作为优化结果。
关键词：微型燃气轮机,数值模拟,叶片数目,安装角度
参考文献
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燃气燃烧器、燃烧机安全操作规程 第2篇
因为燃气燃烧器燃烧机主要燃料分天然气、液化石油气、城市煤气及其他可燃气体，这几种燃料属易燃、易爆的危险气体，在使用和储藏过程中都应对安全引起高度重视，否则将发生重大安全方面的事故。为保障安全调试作业，特制定燃气燃烧机作业标准：
一、燃气燃烧器燃烧机的调试之前的检查有三个方面：
1．查看燃气是否到位，燃气管路的是否干净通畅，阀门是否已开启。
2．有无管路泄露现象，管道安装是否合理。
3．从燃气阀前管道放气排空，以确保管路中无混合空气，同时排空管应接出室外。
二、燃气燃烧器燃烧机内部检查
1．燃烧机的燃烧头是否安装和调整好。
2．电机旋转的方向是否正确。
3．外部的电路联接是否符合要求。
4．根据线路情况对燃烧机进行冷态模拟，观察运行中设备的各个部件是否正常及火焰探测保护部分是否正常。
三、燃气燃烧器燃烧机的调试
1．检查外部的燃气是否到位，管路是否通畅，外部电源控制到位。
2．把燃烧机的负荷调至小负荷，点火位置相应调至小负荷，关闭大负荷进行点火并观察火焰情况，根据火焰情况对伺服马达或者风门
五、燃气机调试与维修的注意事项
1．燃气燃烧机连续发生二次点火程序失败时，应停机检查，燃烧机的供气系统是否正常，电路连线是否正确，解除故障后方可重新启动燃烧机。
2．供气管路严禁用扳手或金属棒敲击、摩擦，避免引起静电或火花，引发燃气爆炸。
3．严禁在供气阀组或管道法兰面等处吸烟、焊接、切割等违章作业。
4．严禁在管路及阀组和调压阀旁进行任何明火测试，避免重大事故发生。
5．测试供气管路中是否有燃料，通常用气体低压表测试即可。
6．在供气管路中，就是进行过排空，但管壁有残留气体或液滴，如遇静电火花和明火同样会引起燃烧及爆炸。
7．当供气管路已通气，而阀组有故障时需要拆卸，首先必须切断阀组前端总阀，然后对总阀至阀组这一段管道中气体进行放空，之后才能进行阀组的拆卸与维修。
8．在调试工作中，燃气必须做到认真、安全、高效。
9．禁止在现场使用无防爆电气电动工具。
10．VPS504检漏装置在使用前必须检查阀组蒙头。
11．60万大卡及以上燃烧器建议使用VPS504检漏装置，如用户不配，由此引发事故客户责任自负。
燃烧器工作过程说明(燃烧机工作过程说明)
燃烧三要素：燃料、着火源、助燃氧气。
·
过剩空气系数：燃烧实际空气量与燃料理论空气量之比。
·
NOx：燃烧过程中产生的NO、NO2氮氧化物的统称。
·
自然引风扩散式燃烧：燃烧所需空气不是依靠风机或其他
强制供风方式供给氧气，而是依靠自然通风或燃料本身的压力引射空气来获得助燃氧气的燃烧方式等。
·
强制鼓风式燃烧：由风机或压缩
机强制供风提供助燃氧气的燃烧方式，一般工业用燃烧器大多为这种形式。
·
预混合式燃烧（引射式）：燃料和空气在喷出
燃烧前预先按比例混合，然后喷出燃烧。
·
FSG：FLAME
SAFEGUARD
SYSTEM
燃烧安全保护装置。FSG一般由以下几部分组成：
o电源：供给系统运行、继电器吸合之用。
o火焰检测部分：随时检测、判断火焰的状态。
o点火输出：供给点火变压器电源以产生着火所需的电火花，确认正常着火后自动关闭，以保护点火变压器。
o阀门控制输出：在点火输出时或稍微延时后开启燃料电磁阀点火燃烧。
o报警输出：在点火失败或正常燃烧中发生熄火时，能及时切断燃料阀，并输出报警信号。
o其他：根据需要不同的FSG配有许多不同的附属装置，如：燃烧器风机压力开关输入、温度控制输入、燃料压力开关输入等。
·
离子火焰检测：利用高温烟气具有单向电离作用的原理，在火焰中加上一个交流电压，通过检测电流的有无确认火焰状态。
·
光电火焰检测：利用火焰燃烧本身的光线经光电传感器检测火焰状态。
·
点火前吹扫：燃烧器一般均装有自动控制点火装置，为确保初次点火的安全，在正式点火前，可以通过助燃风机将新鲜空气送入炉膛，稀释、扫除炉膛内的可燃性气体，吹扫时间与炉膛大小、燃烧器燃烧量有关，一般要求吹扫时间满足炉膛换气4次即可。
（停炉后吹扫：正常燃烧时，燃烧器喷嘴处的火焰温度可达一千度以上，由于由循环风机不断将高温烟气带走，所以燃烧器及燃烧室能保持在一定的温度以下。如果停炉时将燃烧器及循环风机突然关闭的话，燃烧器及燃烧室由于得不到冷却，温度会急剧上升，使得燃烧器及燃烧室损坏；另外燃烧器风机停止后，炉内的高温辐射也会损坏燃烧器的其他部件。所以对部分炉膛温度较高的加热装置最好采用带有停炉后吹扫功能的燃烧器，即在停机时燃烧器风机及循环风机继续运转一段时间以待燃烧室温度适当降低，再停止燃风机运转。此外对部分大中型燃气燃烧器，为确保停机时扫除炉膛内可能积聚的残余废气，一般应选择带有后吹扫功能的燃烧
燃气燃烧器(燃气燃烧机)安全控制要求
我国天然气和煤制气（原料为煤）资源丰富，且属于洁净能源，顾有着良好的.经济效益。燃气燃烧机符合我国产业政策，市场前景很好，大有发展前途。然而在燃气燃烧机研制设计中，燃气特性-易燃、易爆及毒性，安全控制的首要问题。下面介绍一下燃气燃烧机的安全控制要求：
根据燃气在炉膛内的燃烧特性，对其安全控制要求内容主要有预吹风、自动点火、燃烧状态监控、点不着火的保护、熄火的保护、燃气压力高低限保护、空气压力不足保护、断电保护、预防燃气泄漏事故的措施等。
1.预吹风
燃烧机在点火前，必须有一段时间的预吹风，把炉膛与烟道中余气吹除或稀释。因为燃烧机工作炉膛内不可避免地有余留的燃气，若未进行预吹风而点火，有发生爆炸的危险．必须把余气吹除干净或稀释，保证燃气浓度不在爆炸极限内。
预吹风时间与炉膛结构及吹风量有关一般设置为15-60秒
2.自动点火
燃气燃烧机宜采用电火花点火，便于实现自动控制。可用高压点火变压器产生电弧点火，要求其输出能量为：电压≥3.5K
V、电流≥15mA，点火时间一般为：2～5秒。
3.燃烧状态监控
燃烧状态必须予以动态监控，一旦火焰探测器感测到熄火信号，必须在极短时间内反馈到燃烧机，燃烧机随即进人保护状态，同时切断燃气供给。
火焰探测器要能正常感测火焰信号，既不要敏感，也不要迟钝。因为敏感，燃烧状态如有波动易产生误动作而迟钝，反馈火焰信号滞后，不利于安全运行。
一般要求从熄火到火焰探测器发出熄火信号的响应时间不超过0.2秒。
4.点不着火的保护
燃烧机点火时，通入燃气，燃气着火燃烧。点火动作要求发生在燃气通入前，先形成点火温度场，便于着火燃烧。如果点不着火，火焰探测器感测不到火焰信号，燃烧机进入保护状态。
从点火到进入保护状态的时间要适当，既不能过短也不能过长。若过短，来不及形成稳定火焰；过长，点不着火时造成大量燃气时入炉膛。一般要求在通入燃气2-3秒，燃烧机对火焰探测器感测的火焰信号进行判断，未着火则进入保护状态，着火则维持燃烧。
5.熄火保护
燃烧机在燃烧过程中，若意外熄火，燃烧机进入保护状态。由于炉膛是炽热的．燃气进入易发生爆燃，故须在极短时间内进入保护状态，切断燃气供给。
从发生熄火到燃烧机进人保护状态，该过程的响应时间要求不超过1秒。
6.燃气压力高低限保护
燃气燃烧机稳定燃烧有一定范围，只允许燃气压力在一定范围内波动。限定燃气高低压的目的是确保火焰稳定性：不脱火、不熄火也不回火，同时限定燃烧机的输出热功率，保证设备安全经济运行。当燃气压力超出此范围，应锁定燃烧机工作。
燃烧机设计一般用气体压力开关感测压力信号，并输出开关量信号，用以控制燃烧机的相应工作。
7.空气压力不足保护
燃气燃烧机设计热强度大，其燃烧方式采用鼓风强制式。如果风机发生故障造成空气中断或空气不足，立即切断燃气，否则会发生炉膛爆燃或向风机回火。因此在提高风机质量的同时，燃气控制必须与空气压力连锁，当空气压力不足时，应立即切断燃气供给。
一般用气体压力开关感测空气压力信号，并输出开关量信号，用以控制燃气电磁阀的相应工作。
8.断电保护
燃烧机在工作过程中突然断电，必须立即切断然气供给，保护设备安全。燃气控制电磁阀必须是常闭型的，一旦断电，自动关闭切断燃气供给。电磁阀关闭响应时间≤5s.9.预防燃气泄漏事故的措施
燃气泄漏包括二个方面，一指燃气通过管路向环境泄漏，二指燃气通过电磁阀阀芯端面向炉内泄漏。
环境泄漏可能引起人员中毒、工作现场爆炸事故，必须高度重视。首先确保管路密封，定期对管路检漏，若管路泄漏须排除方可继续使用；其次，避免造成中毒与爆炸的燃气浓度，要求工作现场通风良好：配置永久性的通风孔和强制通风装置；另外，要求工作现场禁止烟火、电气件防爆。
炉内泄漏可能引起炉内爆炸。解决炉内泄漏问题有三个途径：一是加强预吹风时间和吹风量，吹除或稀释炉内燃气；二是燃气管路采用二个电磁阀串联结构，提高系统安全性；三是使用管路泄漏检测装置，在点火前对燃气管路进行检测，若燃气泄漏达到一定量即锁定燃烧机工作。
预防燃气泄漏措施属外围控制，一般不纳入燃烧机本体控制。
燃烧器的维护保养
1、分解燃烧器
a.放掉加温油池内的油。拆下电源线、气管、上油管、油泵电机电源线。取下燃烧器。
b.旋开稳焰盘固定螺丝，取下稳焰盘。旋开燃烧器盖板螺丝，打开盖板，拔下电极电缆线，旋开电极固定螺丝，取下电极。
c.拧开油管连接喷油头和吸油管的螺栓，取下油管。（可松开进气管连接螺栓和固定螺母）拧下连在进气管上的喷头。拆下喷头上的喷油嘴。取下喷油嘴上的O型圈。
d.打开温控器盒盖，旋开固定在加温油池上的螺丝，从加温油池上取下温控器盒及加温油池内的温度传感器。拧开固定加热丝的螺母，取出加热丝。拧开加温油池内固定吸油管的螺母，取下吸油管。
e.拧开过滤罐底部的螺丝，放出油。在拧开过滤罐上盖中间部位的螺丝，打开过滤罐上盖，取出过滤网。燃烧器需要清洗保养的部件分解完毕。
2、清洗燃烧器部件
a.去除稳焰盘上的积垢，通开缝隙。清除电极上的积碳。
b.用化油器清洗剂清洗喷油嘴、喷头、油管、吸油管。如果油管、吸油管管壁积垢，用通条清通。检查O型圈是否完好，必要时更换。不要用化油器清洗剂清洗O型圈。
c.清除加热丝和温度传感器上的油垢。清除加温油池底部油泥。
d.清洗过滤罐和过滤网。放掉储油箱内的油，清除底部油泥，清洗油箱。
3、组装按分解顺序反向组装。
安装电极时注意电极的间隙(2.5mm)，电极与其他部件的间隙。(不能搭铁)
组装完毕后，要向加温油池内加入油，至液面标志处，然后安装使用。（以上对燃烧器的维护保养工作每年进行一次。）
4、日常维护
1、清洗稳焰盘(根据燃料油的洁净度及燃烧器的使用率清洗3-15日)
方法：取下燃烧器，用化油器清洗剂清洗稳焰盘，去除积碳、结焦，保持盘面缝隙通畅。同时，检查点火电极间隙(2.5
mm)。电极与其他部件的间隙。(不能搭铁)
2、清洁喷油头及油管
(每三个月清洁一次)
方法：用高压空气对准喷油嘴吹，清通油路。(不要用化油器清洗剂清洗喷油嘴)
节约燃气的自动燃烧控制系统 第3篇
□文/记者 王夕
不管是家庭日用，还是工业制造，燃气都是不能缺少的能源。但是由于燃气和空气配比的不精确，每年燃气的浪费都相当惊人。不过自动式燃烧系统，能使燃气的浪费大大降低。利用燃气流量传感器、燃气压力传感器、混合气压力传感器以及空气压力传感器的实时监测，这些信号传输到电脑后，经过运算，会生成燃气与空气的最佳配比值，而自动风阀系统会按照这个值，调整空气和燃气的配比。而这个值会根据各传感器监测的数据随时调整，使燃烧效率一直保持在最佳的状态。此外，当出现意外情况时，自动控制电磁阀还能自动切断燃气并报警。这套设备除了可以在家庭应用外，在工业上的用途更为广泛。比如陶瓷业是耗气大户，每天的耗气量平均在6000立方米左右，使用这项技术后，每天能节约燃气20%以上。 参展企业：北京博泽翔科技有限公司
餐厨垃圾要『消灭』
□文/记者 秦勉
科博会上，想要消灭餐厨垃圾的不止一家企业。餐厨垃圾消灭技术是将餐厨垃圾倒入处理机后，经过稀释、加温、泵送、加除味剂、搅拌等循环过程，将其逐步分解为可排放的水。这个过程大约需要24~48小时。24小时后，餐厨垃圾消灭量达到93.5%；而到了48小时，消灭量就达到了100%。使用中，垃圾可随时倒入餐厨垃圾消灭机，只要确保倒入垃圾的总量不超过机器的最大容量即可。根据消灭机的大小，每天可消灭100~200公斤的餐厨垃圾。
参展企业：北京恩希爱环保科技有限公司
新热源：汲取自然的温度
□文/记者 李婵
在自然界中，天然蕴藏着巨大的热能，如气温、各种水体和土壤的温度等。如果有一种技术可以将这些自然中的热量提取出来，就可以为人们所用。
这个装置就是一个水源热泵，由京海企业制造。它可以把湖水、河水、地下水、地热水、海水中的能量“取”出，供给室内采暖、制冷。在夏季，它可以把室内的热量取出、释放到水中，在降低室温的同时，“免费”为住户提供生活热水。
它消耗的电能，只相当于所转换热能的1/4左右。由于研发人员对它的蒸发、冷凝装置做出了改进，因此，耐腐蚀性、防堵性、工作效率都得到了提高，还缩小了体积、节省了占地面积。除了可以用于学校、商场、办公楼等场所之外，小型的水源热泵更适合于别墅、住宅。
参展企业：北京市京海换热设备制造有限责任公司
自动生热的水龙头
□文/记者 胡珉琦
是水龙头吗？听说是热水器！快速电热水龙头，既是水龙头也是热水器。别看它和普通龙头外观相差不大，其实它是个水龙头与热水器的结合体。
这款快速电热水龙头采用的是流动加热式的终端加热方式，即在离出水口最近的地方加热，这就省去了长长的热水管道。此外终端式加热不需要放冷水，即开即热，享受24小时的热水。水与电的结合产品往往让人怀疑它不够安全。不过，该产品采用了水电分离的加热技术、自动超温保护、漏电保护等，人们不必担心其安全性。
参展企业：
燃气轮机低NOX燃烧技术探讨 第4篇
海南发电有限公司采用的燃气轮机是由德国SIEMENS公司生产的, 型号为V94.2, 燃料是天然气, 型式为单轴、单缸、轴向排气、简单循环, 压气机为轴流式16级, 带Ⅰ级可调进气导叶, 燃烧室是2个侧立燃烧室, 透平4级, 采用16个组合式天然气喷嘴。
燃气轮机基本参数如表1所示。
1 我厂燃气轮机特点
该燃气轮机的主要特点为转子由端面齿结构传扭, 拉杆是空心轴, 可调节的进口导叶, 低负荷时, 提高了机组的经济性。透平有4级, 燃烧室为2个侧立的大面积燃烧结构, 每个燃烧室装有8个便于拆装的喷嘴, 喷嘴为组合式, 回流控制[1]。
2 天然气燃烧生成NOx的机理
讨论NOx在燃烧中的生成机理时, 通常只考虑NO的生成机理。由于天然气中氮的含量很低, 燃烧过程中所生成的燃料型NOx很少, 可忽略不计。因此对于天然气燃烧, 目前主要研究热力型NOx和快速型NOx的生成机理。
2.1 热力型NOx
热力型NOx是空气中的N2在燃烧火焰的峰值温度下氧化而成, 对温度的依赖程度很大, NOx的生成过程是一个不分支的连锁反应, 根据Arreniuos定律, 随着温度的升高, 其反应速度按指数规律迅速增加。实验表明, 在燃烧温度超过1 500℃时, 温度每增加100℃, 反应速度将增大6～7倍。所以, 温度对这种NOx的生成具有决定性的影响[2]。
因此, 可用降低燃烧温度和防止局部高温区的产生、降低氧气浓度 (减小过量空气系数) 和缩短烟气在高温区的停留时间来抑制热力型NOx的生成量。
2.2 快速型NOx
快速型NOx是燃料燃烧时空气中的N2生成NO的另一种类型, 快速型NOx的生成量和温度的关系不大, 且比热力型NOx生成量小一个数量级。
3 控制NOx方法介绍
3.1 喷水或蒸汽
无论是气体燃烧还是液体燃料的扩散燃烧, 在火焰锋面上总有过量空气系数为1, 燃烧温度可以达到很高的理论燃烧温度, 高于热NOx的起始生成温度1 560℃, 因而, 按照这种方式组织的燃烧过程, 必然会产生数量较多的热NOx污染物[3]。
为了解决这类燃烧过程中NOx排放量超过环保要求的问题, 采用了在高负荷条件下, 向扩散燃烧的燃烧室中喷射一定数量的水或水蒸气的措施。这时虽然火焰区过量空气系数仍然等于1, 但掺入的水蒸气却从整体上降低了燃烧区的温度, 从而在一定程度上起到了抑制NOx生成的作用。
3.2 选择性催化还原反应器
SCR法是一种对燃烧产物进行后处理以降低已生成的NOx数量的措施。方法是在催化剂的作用下向燃烧产物喷散氨水, 使之与燃烧产物中的NO和NO2反应生成N2和H2O。
这种方法的优点是NOx脱除效率很高。缺点是: (1) 投资费用高; (2) 催化反应器寿命为4～8年; (3) 不能燃用含硫量高的燃料, 否则催化剂会中毒而失效; (4) 只能在负荷工况比较稳定的机组中使用, 不能在变转速、变负荷较大的机组中使用。
3.3 采用分级燃烧方式扩大负荷的变化范围
采用串联式分级燃烧方式可以提高低负荷工况下一级燃烧区内的燃烧温度, 并使气流的速度减小, 有利于改善这些工况下CO的燃尽程度和燃烧火焰的稳定性。在高负荷工况下, 把均相预混可燃混合物的燃烧温度控制在1 800 K以下, 就能达到控制NOx排放量的目的[4]。
采用并联式分级燃烧室中, 可以设置许多彼此并联的燃烧区, 每个燃烧区中也都分别供给一定数量的空气和燃料。它们的燃烧过程都是按均相预混可燃气体的火焰传播方式进行组织的, 燃烧温度也被限定在1 800 K以下。因而能够控制高负荷下的NOx排放量。
4 V94.2燃气轮机燃烧特点
4.1 燃烧室结构
燃烧气体燃料的燃烧器组件包括:扩散气体燃烧器、轴向旋流器、对角旋流器叶片、值班气体燃料燃烧器、点火器、气体分配器导管、燃烧器托板、对角旋流器和气体燃料分配导管组成与火焰筒联接的接口。
4.2 燃烧运行方式
(1) 低负荷工况下气体燃料以扩散模式运行。天然气由扩散燃烧器气体燃料进口供入环形空间, 进入扩散气体燃料燃烧器, 再经由轴向旋流器与燃烧空气混合, 在燃烧区形成稳定的扩散火焰。
(2) 机组在低负荷运行时, 燃烧室二次风挡板在开位 (开度100%) , 机组排气温度TATK达到460℃时, 二次风挡板开始逐步关闭, 490℃时全关 (开度0%) 。在降负荷过程中, 排气TATK温度在490℃时, 二次风挡板开始打开, 排气TATK温度降至460℃时, 二次风挡板全开。
(3) 机组排气温度TATK达到540℃, 在IGV控制器投入自动状态时, IGV开始打开。此后随着负荷的增加, IGV逐步开大, 维持排气温度TATK为540℃基本不变, 在降负荷的过程中, IGV逐步关闭, 同样维持排气温度TATK为540℃基本不变。
(4) 燃机基本负荷温度控制值为540℃, 排气温度达到此定值后, 温度控制器 (OTC-CONTROLLER) 投入, 负荷控制器退出, 不再增加机组负荷。当IGV控制器故障, 不能按上一条所述打开时, 机组会在部分负荷时进入温度控制, 此时若要增加负荷, 必须手动打开IGV。
(5) 燃机达到基本负荷后, 如果需要切换到尖峰负荷, 可以打开“TEMP-LIMIT SET”, 窗口选择“PEAK LOAD”或在就地控制器上同时按下“RELEASE”和“PEAK LOAD”按钮。尖峰负荷温度控制值为561℃, 当排气温度达到此定值后, 机组负荷不会再增加。由于机组尖峰负荷运行对机组寿命影响较大, 故一般情况不宜采用。
5 结语
我们只有采用先进的燃烧技术, 从燃烧方面入手, 改进燃烧方式, 从根本上减少NOx的排放, 才能最终实现人类与环境的和谐发展。
参考文献
[1]杨顺虎.燃气-蒸气联合循环发电设备及运行[M].北京:中国电力出版社, 2003
[2]翁史烈.燃气轮机[M].北京:机械工业出版社, 1989
[3]林汝谋, 金红光.燃气轮机发电动力装置及应用[M].北京:中国电力出版社, 2004
[4]姚秀平.燃气轮机及其联合循环发电[M].北京:中国电力出版社, 2004
通用型长明燃气燃烧器的设计及应用 第5篇
通用型长明燃气燃烧器的设计及应用
介绍了一种新型通用型长明燃气燃烧器的技术特点、设计方法,并利用燃烧学、空气动力学的.基本原理和技术,为工业加热炉设计了一种高效、节能、低污染的新型通用型长明燃烧器.实践证明,该燃烧器燃烧稳定,具有极低的回火率以及离焰率.已成功应用于多套炼油化工装置.
作 者：陈峰 丛培振 吴弘 周选民 吴孝强 艾丽曼 作者单位：中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司研究院,新疆克拉玛依市,833600刊 名：炼油技术与工程 ISTIC PKU英文刊名：PETROLEUM REFINERY ENGINEERING年，卷(期)：35(1)分类号：关键词：燃烧器 火焰 回火率 离焰率 预混
燃气轮机燃烧室 第6篇
燃气加热炉是热轧生产过程的重要热工设备,其能耗占到钢铁工业总能耗的25%。加热炉温度控制性能直接影响到能耗大小、环境污染和最终钢材产品质量、钢坯成材率、轧制设备寿命以及整个轧制生产线的有效作业率。但是加热炉的燃烧过程受多种随机因素干扰,控制对象具有大惯性环节、时变性及非线性(调节阀死区、滞环、延迟等)特性,对于这种复杂的控制对象,即使是经验丰富的操作工,也很难全面考虑各种因素的影响进行准确的控制。因此,对加热炉之类的工业炉窑燃烧机理进行分析,并建立良好的炉温自动控制的理论算式,使控制系统在高效节能的工况下运行,对实现节能降耗和降低对环境的污染有着极其重要的意义。
2 燃烧机理及控制方式
2.1 燃烧机理分析
加热炉以高炉、焦炉混合煤气为燃料,分多个控制区[1]。每个控制区燃烧过程是燃气的氧化过程。当燃气燃烧时,火焰温度的高低并不由燃料数量的多少来决定,而取决于燃料是否完全燃烧,是否发出最大的热效率。
图1表示了助燃空气过剩率与燃烧效率及污染之间的关系[2]。可以看出,燃烧系统的质量跟空气过剩率有很大的关系。同时,空气过剩率可以用空气和燃气配比,即空燃比来描述:
设µ为剩余空气系数,r为空燃比。
其定义如下:
式中:A0为单位体积的燃料完全燃烧所需的理论空气量。
FA和FAmax分别为空气流量的测量值和最大值。
FF和FFmax分别为燃料流量的测量值和最大值。
由上式可知空燃比r与剩余空气系数µ的关系为:
β为理论空气修正系数,一般取0.8~1.0。
从图1可以看出,当µ为1时,是理论上达到合理空燃比所需要的空气量;但在实际中,µ<1和1µ<1.02分别为空气不足燃烧区域,在这两个燃烧区中,会有不完全燃烧现象,这样的热损失就比较大,由于不完全燃烧,将会产生大量的黑烟,污染大气环境且浪费燃气能源。但是如果处于高过剩空气燃烧区,即当µ>1.10时,由于空气过剩,不但使出钢时钢坯表面的氧化铁皮增多,影响钢加热质量,而且使烟气中带走了大量的热量,使燃烧系统热效率过低,同时,过多的O2会使NOx和SOx增加,对环保也不利。因此,在实际燃烧系统中,空气过剩率设定在过剩空气燃烧区1.02µ1.1是最佳的燃烧方案。
2.2 双交叉限幅[3]控制的数学分析及描述
为确保燃烧控制系统在扰动和负荷急增或急减时,均能在空气微过剩状态下燃烧,图2中给出了加热炉某段区温度调节与空气流量和燃气流量两个燃烧调节系统原理图,它是双交叉限幅的一种形式。在稳态时,系统具有两个并联副回路的串级调节系统。其中温度控制回路作为主回路,燃气流量回路和空气流量回路并联作为副回路。交叉限幅部分是为了改善系统的动态性能,保证在动态过程中空燃比维持在一定的范围。
双交叉限幅燃烧控制采用对副闭环回路的空气流量控制和煤气流量控制的设定值进行限幅,通过高值和低值选择器相互制约来防止负荷变化很快时出现的燃料或空气过剩,从而避免过氧和缺氧燃烧现象的产生。这样,燃料流量和空气流量会严格地按照一个合理的比值交替上升,使实际的空燃比保持在合理的范围之内。
图2中,HS1为燃气高值选择器,其中A为第一输入(温度控制器TC输出),B为第二输入;LS1为燃气低值选择器,其中C为第一输入,D为第二输入;HS2为助燃空气高值选择器,其中A为第一输入,H为第二输入;LS2为助燃空气低值选择器,其中G为第一输入,F为第二输入。
图3给出了负荷扰动时,双交叉限幅系统燃气流量设定及空气流量设定的瞬态变化。
图3中偏置单元K1~K4意义分别表示如下:(%)负荷减小时,限制过氧燃烧,燃气流量设
K1(%)负荷减小时,限制过氧燃烧,燃气流量设定偏值;
K2(%)负荷增大时,限制缺氧燃烧,燃气流量设定偏值;
K3(%)负荷减小时,限制缺氧燃烧,空气流量设定偏值;
K4(%)负荷增大时,限制过氧燃烧,空气流量设定偏值;
双交叉限幅值为:
式中:D不出现缺氧燃烧时,燃气流量的上限值;
B不出现过氧燃烧时,燃气流量的下限值;
F不出现过氧燃烧时,空气流量的上限值;
H不出现缺氧燃烧时,空气流量的下限值;
1)系统处于平衡状态期间
在图4中,0~t0、t1~t2、t3~t4期间,对燃料回路有D>A>B,对空气回路有F>A>H,经HS1、LS1、HS2、LS2高低值选择器后有:
式中:
FFS燃气流量设定值
FAS空气流量设定值r设定空燃比
rs设定空燃比
系统处于平衡状态期间有:
在此期间,系统处于温度控制回路作为主回路,燃气流量回路和空气流量回路并联作为副回路的串级控制下,以设定空燃比rs下稳定运行。
2)当负荷突然增加时
图4中t0~t1时段,燃气流量设定值FFS和空气流量设定值FAS将随A增加,当燃气流量控制设定变为A>D>B后,此时段为防止由于燃气的突然增加而出现缺氧燃烧,燃气流量控制设定经HS1、LS1高低值选择器后有
当空气流量控制设定变为A>F>H后,此时段为防止由于空气的突然增加而出现过氧燃烧,空气流量控制设定经HS2、LS2高低值选择器后有
在此期间FA和FF将不断交替上升,并且尽量保持空燃比值不变(由K2与K4取值决定),直到负荷稳定下来,各信号重新恢复关系与,此时空燃比也恢复到设定值rs,上升过程结束。
3)当负荷突然减小时
图4中32~tt时段,FFS和FAS将随A的减少而下降,此时段出现<
为防止由于燃气的突然减少而出现过氧燃烧,燃气流量控制回路有
为防止由于空气的突然减少而出现缺氧燃烧,空气流量控制回路有
此后,FA和FF交替下降,直到系统负荷稳定下来。
系统中四个偏值的取值与系统的负荷响应性能和节能效果有关。从节能的观点看,K1~K4的值越小越好,但是这样一来会恶化系统负荷响应的控制性能。此外,由于燃料、空气流量系统中检测值不可避免的有随机波动,从而会引起高、低选择器不必要的频繁切换给系统带来波动。一般地,缺氧燃烧不但燃气的燃值不能充分释放而造成热损失,还会造成冒黑烟和燃气能源的浪费,而过氧燃烧主要是造成热损失。因此,燃烧系统中出现缺氧燃烧现象比过氧燃烧现象所带来的控制品质更恶劣,所以在负荷突变时,要求的空气流量偏值总是大一些,考虑到这些因数,通常取
综合上面燃烧过程中的数学分析可见,交叉限幅调节的思想是使燃气流量和空气流量调节回路参照各自对应的实测流量,当负荷变化时,能达到动态地维持适当空燃比的目的,从而保证燃气充分燃烧。
3 结束语
本文阐述了燃气加热炉的燃烧机理,对燃烧控制系统的双交叉限幅控制思想进行了分析,并用数学描述方法剖析了系统在燃烧动态过程中的燃烧控制特性,从而使燃气加热炉的控制系统能始终保持在最佳的燃烧控制状态。本文给出了具体的判断算式,为实际控制系统的计算机编程提供了依据。
摘要：本文以冶金行业型钢厂为背景,阐述了燃气加热炉的燃烧机理,对燃烧控制系统的双交叉限幅控制思想进行了分析,并用数学描述方法剖析了系统充分燃烧工况下动态过程的控制特性。
关键词：加热炉,空燃比,燃烧控制,双交叉限幅
参考文献
[1]左为恒,李昌春.型钢厂加热炉自调整模糊控制系统[J].电气自动化,1999增刊:101-102、
[2]施仁.刘文江.自动化仪表与过程控制[M].北京:电子工业出版社,1991.3
燃气轮机燃烧室 第7篇
漯河卷烟厂现有3台WNS-10燃气锅炉, 单台产汽量10T/h, 两用一备, 锅炉燃烧系统的程控器采用西门子公司的LFL1.322, 燃烧机采用奥林公司的GP-700M-I, 电气部分采用西门子公司的S7-200 PLC, 程序控制器与燃烧机的接线图见图1 (虚线框内为伺服电机) , PLC与外围线路接线图见图2。2005年5月投入运行, 经过5年的运行, 摸索出一套处理燃烧机常见故障的方法和经验。
2. 燃烧机电机不启动的故障处理
(1) 故障现象。按下启动按钮, 燃烧机电机不启动, 按下停止按钮后重新启动几次, 燃烧机电机又能启动, 系统恢复了正常, 但是几天后, 故障又重新出现。
(2) 分析处理。故障可能原因: (1) 程控器控制回路中断; (2) 火焰探测器QRA2损坏或断线; (3) 程控器反馈回路中断。
用万用表检查程控器的端子4到零线的电压为AC 220V, 正常。检漏装置 (VPS504) 的黄色指示灯亮 (黄色指示灯为检漏通过, 红色指示灯为检漏失败) , 证明检漏通过, 检漏装置输出端T6到零线的电压为AC 220V。测量组合电磁阀出线端SE到零线的电压为AC 220V, 证明天然气的压力正常。程控器的端子5到零线的电压也为AC 220V, 程控器控制回路正常。拆下火焰控测器QRA2, 加上AC220V电压, 用明火对火焰探测器照射, 观察到火焰探测器发出紫色耀眼的光, 说明火焰探测器良好, 没有损坏。重新在原位置安好火焰探测器。用万用表的0～200Ω挡, 测量程控器端子8到11的阻值, 发现阻值超过量程, 说明程控器反馈回路中断, 即燃烧机伺服电机的凸轮偏离了原来的位置, 导致燃烧机伺服电机的端子2和22处于断开状态, 使燃烧机电机不能启动。将伺服电机凸轮的机械角度由3°调节到5°, 使伺服电机的接线端子2和端子22导通, 系统启动后正常。
(3) 结论。由于锅炉用汽负荷变化较大, 造成燃烧机的频繁启动与停止, 导致锅炉燃烧机伺服电机凸轮的机械角度因磨损发生改变, 造成程控器反馈回路中断。
3. 燃烧机风门关到点火位置不能点火的故障处理
(1) 故障现象。按下启动按钮, 锅炉前吹扫结束后风门关到点火位置, 燃烧机点火电极棒不能点燃点火阀 (点火电极棒接在点火变压器的输出端) 。
(2) 分析处理。故障产生后, 程控器的红色故障指示灯亮, 并且故障锁定在点火位置, 由此判断可能原因: (1) 点火变压器烧毁或变压器引线故障; (2) 点火电磁阀不能成功打开; (3) 点火电极棒之间的距离、点火电极棒到扩散盘的距离及燃气喷嘴到扩散盘的距离发生变化。
启动锅炉燃烧机, 用万用表交流电压挡测量点火变压器输入端的电压为AC 220V, 程控器的端子17到零线的电压为AC220V。断开燃烧机电源, 测量点火电极棒之间的距离为4mm, 燃气喷嘴到扩散盘的距离为5mm, 点火电极棒到扩散盘的距离为7mm, 查阅燃烧机说明书可知, 点火电极棒到扩散盘的距离为4mm, 重新调节点火电极棒到扩散盘的距离为4mm, 启动后试机, 恢复正常。
(3) 结论。由于燃烧机启动频繁及振动等原因, 导致点火电极棒到扩散盘的距离变大, 当点火变压器电极棒放电点火时, 不能成功点燃点火阀, 程控器的红色故障灯亮, 锁定在点火位置。
4. 燃烧机运行中突然熄火的故障处理
(1) 故障现象。锅炉在运行过程中燃烧机出现故障熄火, 红色故障指示灯亮, 程控器锁定在熄火位置。
(2) 分析处理。故障可能原因: (1) 风压开关损坏或导管破损; (2) 蒸汽压力传感信号失实。
锅炉燃烧机停机后, 观察风压开关的导管无破损处, 用万用表的电阻挡测量风压开关的常开触点和常闭触点均正常, 由此判断, 故障可能出在传感信号失实。蒸汽压力传感器接在S7-200 PLC上, 此时触摸屏上显示的压力值是1.19MPa, 而锅炉本体上机械式压力表显示值是1.29MPa, 由此可见, 显示值比实际值偏低, 用PC适配器把电脑和S7-200 PLC连接起来, 对PLC的程序进行监控, 根据模拟量的通用换算公式Ov=[ (Osh-Osl) (IvIsl) / (Ish-Isl) ]+Osh (Osh和Osl分别为换算结果高和低限, Iv为换算对象, Ish和Isl分别为换算对象的高和低限) 。
对PLC程序中VVV104的值 (即式中Isl) 的值进行修改, 把VVV104的值从6400变成6450, 使蒸汽压力传感器在触摸屏上的显示值和机械式压力表的值相等, 即1.29MPa, 经过反复试机, 燃烧机运行中没有再出现熄火的故障现象。
(3) 结论。由于元器件老化等诸多原因, 蒸汽压力传感器传输到PLC模拟量模块的4～20mA的模拟信号存在一定程度的误差, 造成显示值和实际值之间出现偏差, 经过PLC内部程序处理后, 使燃烧机在运行中突然熄火。通过修改换算对象低限的值, 达到修正显示值偏差的效果, 从而有效地避免了燃烧机运行中突然熄火。
摘要：介绍WNS-10燃气锅炉燃烧机的故障现象及处理方法。
燃气轮机燃烧室 第8篇
随着国民经济的发展,能源消耗日益增大,污染排放也大幅增加,纵观国内能源利用现状,能源利用率较西方发达国家相比依然很低,如何节约能源,提高能源利用率,减少污染排放成为国民经济发展的重要课题。
热水锅炉作为工业生产和人民生活中广泛应用的一种热力设备,其占有重要地位,随着国民经济的飞速增长,燃料的需求量越来越大。天然气作为清洁能源,我国正大力推进天然气的利用,如何提高燃气热水锅炉效率,节约能源减少污染物排放,有着重要的意义。
目前,燃气热水锅炉由于排烟温度较高,烟气中余热未能得到充分利用,虽然有各项余热回收措施,如尾部烟道增加换热器等,可回收一部分热量,但大量热量依然通过烟气排出,对于锅炉效率提高不大。针对燃气热水锅炉,可采用一种新型高效的燃烧技术,最大限度回收烟气中余热,提高能源利用效率,同时减少污染物排放。
1 燃气热水锅炉热效率分析
热水锅炉热效率的高低直接影响锅炉的运行成本,是评判锅炉的一项重要指标。
锅炉热效率有[1]:
式中: q2—排烟热损失,% ;
q3—化学未完全燃烧热损失,%;
q4—机械未完全燃烧热损失,%;
q5—锅炉散热损失,%;
q6—灰渣物理热损失,% 。
由于天然气燃烧后没有灰分,很少有机械不完全燃烧现象,所以影响燃气热水锅炉热效率的因素主要为排烟热损失、化学未完全燃烧热损失和锅炉散热损失。
在实际运行中,燃气热水锅炉在燃烧良好的情况下,化学未完全燃烧损失较小。根据燃烧器厂家提供的数据,燃烧器的燃烧效率一般为99. 0% ~99. 5% ,即气体不完全燃烧热损失率为0. 5% ~1. 0% 。除非在燃烧器调节不当、空气过量系数过小导致燃烧不良的情况下,此项损失较高。
散热损失是指锅炉围墙结构和锅炉范围内的管道及烟风道等,受外界大气对流冷却和向外热辐射所散失的热量。对于快装燃气锅炉,采用导热系数较小的绝热材料及封闭的外罩壳作为保温保护层,散热损失也可以控制在较小的范围。
高温烟气离开锅炉受热面后形成的排烟热损失,等于排出的烟气焓与冷空气焓之差。从燃气热水锅炉排出的烟气温度( 约100 ~ 130℃) 比冷空气温度高很多,排烟损失往往是锅炉各项热损失中最大的一项。影响燃气锅炉排烟热损失的主要因素是排烟温度和烟气量,排烟温度越高,排烟热损失越大。燃气热水锅炉运行中,由于受热面上的积灰、结垢等多种影响因素导致传热效率降低时也会造成排烟温度的逐渐升高。因此如何降低排烟温度,降低排烟损失,是提高锅炉热效率的核心。但排烟温度过低,目前锅炉的设计型式会造成尾部受热面传热温差减小,从而导致燃气锅炉受热面金属耗量增大。
2 烟气余热回收技术原理
燃料发热量分为高位发热量和低位发热量,高位发热量是指1kg燃料完全燃烧时放出的全部热量,包括烟气中水蒸气凝结成水所放出的汽化潜热。从燃料的高位发热量中扣除烟气中水蒸气的汽化潜热,称燃料的低位发热量。显然,高位发热量在数值上大于低位发热量,差值为水蒸气的汽化潜热。天然气的主要成分为甲烷( CH4) ,含氢量大,燃烧后会产生大量的水蒸气,其燃烧化学反应方程式为:
燃烧1m3甲烷可产生2m3的水蒸气,甲烷标态下高位发热量为39842k J/m3,低位发热量为35906k J / m3,相差约3936k J/m3,占低位发热量约11% ,即烟气中带走的水蒸气的气化潜热约为燃气低热值的11% 。根据天然气组分、过量空气系数和空气湿度的不同,烟气中水蒸气含量略有不同。随着锅炉排烟温度的下降,锅炉热效率逐渐上升,当排烟温度下降到一定程度时,烟气中的水蒸气开始凝结,释放出汽化潜热。同时随着排烟温度降低,还可回收烟气中氮气、二氧化碳的显热,通过烟气余热回收技术,可降低排烟温度至60 ~ 70℃ 甚至更低,大幅提高燃气热水锅炉热效率,并减少污染排放。
3 烟气余热回收技术及应用
3. 1 冷凝余热回收热水锅炉系统技术分析
目前,常用的烟气余热回收方式主要是在尾部烟道增加换热器,回收部分热量,但为防止尾部烟道和换热器的露点腐蚀,烟气温度仍在80 ~ 100℃以上,水蒸气的汽化潜热很少被回收,对锅炉热效率提高不大。目前,较典型的技术为冷凝余热回收热水锅炉,换热器布置在锅炉尾部烟道。烟道结构和阻力变化较大,锅炉排烟温度较低,可回收烟气中水蒸气部分汽化潜热。冷凝余热回收锅炉系统流程图如图1 所示。
采暖回水先通过冷凝水回收器换热后进入锅炉,由于烟气中冷凝水溶有CO2及NOX,冷凝水成酸性,排入中和池,需加药中和此部分冷凝水。但该技术存在一定局限性,且在中、小型工业锅炉中,换热器至今未能普及,其主要原因是锅炉排烟余热温差小,烟气与热水换热系数小,要求余热设备的传热面积大,而锅炉本身又要求体积小,重量轻,以致在锅炉系统设计上难以适应。
3. 2 新型高效余热回收热水锅炉
冷凝余热回收锅炉存在一定局限性,并且无法全部回收烟气显热量,目前一种新型燃气燃烧技术,采用浸没式燃烧[2]。预先将燃气与空气充分混合,使高温烟气直接喷入水中,其传热过程属于直接传质传热。水室中水吸收烟气所有热量,达到良好的换热效果。水室热水为酸性水,材质使用不锈钢,水室为常压。同时设置一套加药系统,调节水室p H值。浸没燃烧换热系统流程图如图2 所示。
该燃烧技术不仅能利用天然气的高位热值,吸收烟气中的显热和水蒸气的部分汽化潜热,提高效率,还能减少污染物排放。浸没式燃烧技术目前国内主要用于LNG接收站的加热热源供应上,随着节能、环保的要求日益提高,浸没式燃烧在燃气热水锅炉上的应用会有不错的前景。
结合浸没式燃烧技术特点和热水锅炉的要求,将该换热技术模块化,可集成为一种新型高效常压燃气热水锅炉,应用到住户及办公室热水采暖系统中。提高热水锅炉热效率,并减少城镇污染物排放。
4 浸没式热水锅炉可行性分析
基于浸没式燃烧技术原理,浸没式热水锅炉存在以下特点:
1) 热水出水温度不能太高。锅炉运行后,水室上方的空气组分基本为烟气组分,水室上方空气湿度基本接近饱和。水室上层水温越高,随烟气排走的水蒸汽量会越多,燃烧天然气时,产生的水蒸气份额是一定的,根据水蒸气的分压情况,可得出对应的烟气饱和温度。即随烟气排走的水蒸气量要小于天然气燃烧生成的水蒸气的量时,才能有效利用燃烧生成的水蒸汽的潜热。根据露点温度计算,水室温度约低于60℃ 时,可有效利用水蒸气潜热。水室温度越低,节能效果越明显。根据水室中水温的分布情况,下层高温区布置热水换热器,上层通过加热燃烧空气形成低温区,降低排烟温度,冬季排烟温度甚至可达到40℃。
2) 浸没燃烧装置中由于烟气直接与水接触,对燃气质量要求比较高,燃气的含硫量要很低。
3) 因水室内水呈酸性,对材料抗腐蚀性要求较高。
4) 风机需克服水室阻力并良好配合燃烧,压头较高,调节要求更严格。
5) 热水锅炉水室为常压,不属于压力容器,安全性显著提高。
5 结语
通过对锅炉效率、余热回收原理,浸没式燃烧特点的详细分析,为浸没式燃烧燃气热水锅炉的设计提供了一个良好雏形和系统结构。通过进一步优化和改良,可将此高效节能环保热水锅炉广泛应用于相关领域。另外,由于浸没式燃烧对燃烧器要求较高,相关技术还有待国内进一步学习开发。
参考文献
[1]张泉根,王懋宁,舒世安,等.燃油燃气锅炉房设计手册[M].北京:机械工业出版社,1998.
燃气轮机燃烧室 第9篇
双良锅炉有限公司生产的WNS29-1.6型热水锅炉, 单台功率29MW, 供回水温度130/70℃, 天然气耗量550~3450m3/h;采用德国ELCO RPD-80G-R燃气分体燃烧器, 为全自动强制吹风高调节比设计燃烧器, 输出功率5500~34500KW, 采用带减震基座的独立的燃烧空气风机;空气分一次风和二次风, 通过混合控制器的调节凸轮盘来调整。带有火焰探测器、压力监测器和内部5k V高压点火变压器以及LFL1程序控制器等。燃烧器的安装和调试工艺是锅炉安装施工最关键的工序之一。
2 燃烧器 (主机) 安装技术
2.1 燃气燃烧器的组成
(1) 空气供给系统:鼓风马达、鼓风机叶轮、防护网、风门挡板。
(2) 燃气燃烧机供给系统:专用球阀、过滤器、调压阀、燃气操纵阀、压力继电器、燃气蝶阀等。
(3) 点火系统:高压点火变压器、高压点火线、点火电极等。
(4) 保护系统:火焰检测器、空气压力继电器、燃气压力继电器等。
(5) 进给系统:伺服马达。
2.2 燃烧器安装作业程序
设备清点、领用、编号设备外观检查、记录组件安装、就位焊接验收, 具体安装步骤如下。
(1) 首先由2名管工和钳工会同厂家、监理等进行燃烧头及附件设备的开箱检查验收, 并编号记录。
(2) 由2名起重工根据现场实际情况, 做好吊装准备工作, 利用锅炉房内+12.00层的混凝土梁上面挂2根8米钢丝绳成40°角, 三角底正好在锅炉前燃烧器位置上方5m处, 绳头上挂1台5t手拉葫芦, 手拉葫芦的主链条钳锤线与锅炉前面板上标出的燃烧器安装中心线前后在同一平面上, 在锅炉锅筒平台上正好可以操作手拉链条。
(3) 燃烧器开箱前连同外木箱包装利用滚钢移动到锅炉前安装位置, 再拆去包装外四周及顶部木板, 仅留包装底部分, 但要松开燃烧器与包装底的紧固螺栓。
(4) 燃烧器2个吊装环上分别栓2根1.5m钢丝绳, 另一端挂在5t手拉葫芦吊钩上, 吊装前检查设备上无杂物, 防止滑落。并在燃烧器两侧牢固位置栓两根5m长φ18棕绳, 由两人左右拉紧, 防止设备起吊时摆动。
(5) 起吊前先试吊, 起重工缓慢拉动葫芦链条, 观察设备无卡滞, 能够平稳起升, 前后左右无阻挡, 然后就可以正常起吊, 两根棕绳均衡拉紧, 并随起吊上升而缓慢放松, 但要保持20kg左右的拉力, 防止出现偏移。
(6) 缓慢拉动葫芦链条, 继续起吊, 直至燃烧器密封法兰中心线与锅炉前面板水平中心线重合, 并调整两个棕绳的水平拉力, 使垂直线也重合, 马上穿入法兰螺栓 (双头螺栓) , 先上后下, 再左右对角, 依此穿入24支螺栓, 紧固分3次进行, 第一次保证燃烧器密封法兰与锅炉面板之间留8mm均匀间隙, 然后间隙里均匀塞入φ10石棉绝热绳 (耐热>1400℃) , 塞入至少3圈, 每塞入一圈, 就用扁铲等专用工具均匀捣填密实, 直至填满法兰密封面, 然后用扭矩套筒扳手开始紧固螺丝, 顺序与穿入顺序一致, 紧固完检查安装无误后再依次紧固一遍螺栓。
(7) 燃烧器主机安装完成后再安装随机设备及附件, 按照图纸标注顺序及编号安装完成整个燃烧器的安装。所有螺钉上必须用石墨或类似的润滑剂涂抹并等力拧紧。
(8) 从锅炉炉膛人孔进入, 在燃烧器燃烧火管与炉膛壁绝热材料之间的空隙内分层塞入矿棉, 并填捣密实, 填起高度与燃烧火管平齐即可 (见图1) ;这一环节很关键, 其目的是防止炉膛的回火烟气等通过缝隙串到燃烧器主机, 同时起到密封和绝热的作用。
(9) 制作并安装风管:根据鼓风机出风口和燃烧器进风口的位置, 分别标出中心线, 依此放样下料焊接防腐托架安装风管安装膨胀节安装。其中:
(1) 风管必须安装托架, 托架一端与风管焊接, 另一端固定在地面上, 把风管的重量支撑转移到地面上, 风管重量既不能压在鼓风机上, 也不能作用在燃烧器上;这样可以延长鼓风机及燃烧器设备的使用寿命。
(2) 必须在风机出口和燃烧器进风口安装织物膨胀节, 织物膨胀节主要即减少风机的震动传给风管, 再通过风管传到燃烧器上, 又可以大大降低风机噪音的传递, 降低噪音污染, 改善环境。
(3) 织物膨胀节采用加厚帆布缝制, 两端用扁钢法兰夹压在风管和设备法兰上, 帆布上的螺栓孔用冲压制成, 不得火烧。帆布要松紧合适, 太紧容易断裂损坏, 太松增加风阻力, 径向一般有±10mm的活动余量即可。同时不得留有空隙, 避免漏风。如图1。
(10) 电气接线:燃烧器必须按照设备厂家的图纸接线, 控制线必须按照接线图接到标有数字的接线端子排上, 控制柜也必须按照所附的接线图接线, 接线完毕后必须对全部接线端子 (包括出厂时已经接好的端子) 进行检查和校核, 端子压接牢固。
(11) 燃烧器安装应符合下列要求:
(1) 严禁在设备及被焊工件表面引燃电弧, 试验电流或随意焊接临时支撑物。
(2) 燃烧器喷嘴标高:±5mm。
(3) 保证角度偏差<0.5°, 四角高度偏差<15 mm。
(4) 燃烧器噪音不应大于85d B (A) 。
(5) 燃烧器振动速度不应大于6.3mm/s。
3 燃气阀组安装
燃气阀组一般包含燃气球阀、燃气过滤器、调压器、电磁阀、燃气压力开关、燃气压力表、阀检漏系统、点火燃气阀组 (气球阀、调压器、电磁阀) 等。
(1) 安装顺序:由燃烧器天然气进口开始, 即从编号22的异径管接头开始, 按照图2、图3顺序和尺寸依次组装, 除序号13的管子采用丝扣连接外, 其余主要采用法兰连接, 安装方法及标准参照《城镇燃气输配工程施工及验收规范》 (CJJ33-2005) , 所有螺钉上必须用石墨或类似的润滑剂涂抹并等力拧紧。安装时注意垫片位置、法兰中心、阀门方向、螺栓紧固顺序等, 详细这里不再撰述。
(2) 管道阀门安装示意图如图2、图3, 图中各编号分别表示:1-手动球阀DN150;2-过滤器DN150;3-调压器DN100;4-支架;5-波纹管DN150 PN1.6;6-带关断阀的压力表0-600mbar;7-无缝钢管DN150;8-安全溢流阀RP1”300mbar;9-连接环;10-弯头90°1/2”;11-管子;12-调压器1/2”;13-管子∮22X3;14-活接头1/2”;15-石棉橡胶垫片200-16;16-弯管I ND150;17-压力开关100-150 mbar;18-带关断阀的压力表0-6bar;19组合阀;20-压力开关100-150 mbar;21-弯管I ND150;22-异径管接头DN200/150;23-双头螺栓M20X100 (镀锌) ;24-螺母M20 (镀锌) ;25-石棉橡胶垫片150-16;26-控制阀反压接管。
(3) 由于阀门等装置较多, 每隔2m用10#槽钢做一“工”型支架支撑, 并用“U”型抱箍卡子进行固定。
(4) 最后在序号1端按照设计连接DN150无缝钢管到天然气分配管上, 安装完后对天然气管路部分单独进行阀门组件的气密性检验及试压, 达到设计要求。
至此, ELCO燃气分体燃烧器及其附属管道阀门安装全部完成, 之后就进入调试阶段。
4 作业安全措施及要求
(1) 施工人员必须严格遵守安全规程。
(2) 非专业人员严禁使用起重机械。起重作业人员必须持证上岗。
(3) 使用电动工具应戴好防护用品。
(4) 使用的手拉葫芦必须检查, 不合格的不许使用, 手拉葫芦应正确使用。
(5) 设备摆放应平稳, 避免倒落伤人。
5 结语
ELCO燃气分体燃烧器为进口设备, 损坏维修成本比较高, 而精细安装设备是设备正常运行和维护的必要条件, 其中最主要也最容易被忽视的隔热、减震、降噪措施包括: (1) 在燃烧器燃烧火管与炉膛壁绝热材料之间的空隙内分层塞入矿棉; (2) 在风机出口和燃烧器进风口安装织物膨胀节; (3) 进风管必须安装托架; (4) 电气接线检查核对; (5) 所有螺钉上必须用石墨或类似的润滑剂涂抹并等力拧紧等将直接影响燃烧器的使用寿命, 通过降噪, 改善了锅炉房内操作人员的工作条件, 也改善了附近居民的环境条件。该项目实测燃烧器噪音为84d B (A) 。燃烧器振动速度6.2mm/s, 符合要求, 达到了预定的安装目标, 保证了整个供热系统的稳定运行, 降低了实际运行和维护成本。
参考文献
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[2]GB50273-98.工业锅炉安装工程施工及验收规范[S].
[3]TSG-GB003-2006.燃气燃烧器具安全规范[S].
[4]01/2002elco.燃气分体燃烧器操作手册[S].
燃气轮机燃烧室 第10篇
气体燃料发动机具有燃料来源广泛、排放低等优点,目前得到了广泛的应用。根据混合气形成方式,气体燃料发动机可以分为混合器、进气道喷射及缸内直喷三种方式,其中混合器方式主要包括文丘里混合器及比例调节混合器两种[1,2],混合器方式的优点是结构简单、成本低;缺点是由于进气道内是可燃混合气,气门重叠期间,燃气直接进入排气管可能诱发“放炮”问题,在稀混合气条件下,还可能产生进气管回火现象,在大功率低速气体机中上述问题更加严重[3];为此,采用混合器结构的气体机一般都采用较小的气门重叠角,由此也带来排气温度高及部件热负荷大的问题[4]。进气道喷射方式分为单点喷射和多点喷射两种[5],其中多点顺序喷射方式能够实现精确的空燃比控制,且通过避开气门重叠期喷射能有效解决混合器方式存在的上述缺点,该方式目前在车用气体发动机中得到了大量的应用,但在大功率发动机上应用尚不普及。缸内直喷方式按喷射压力分为低压喷射和高压喷射两种[6],该方式由于控制系统结构复杂且混合气不易组织,在大功率气体发动机上应用尚有一定难度。
综合上述不同混合气形成方式的特点,结合目前国内大功率气体发动机仍大多采用混合器方式,采用进气道多点顺序喷射方式改进此类气体机的性能切实可行。本文中通过数值解析的方法揭示了进气道多点顺序喷射系统的喷射结构对缸内混合气形成的影响规律,通过燃烧压力的测试分析,研究了不同喷射结构对缸内燃烧过程的影响。
1 燃气喷射装置结构特点
试验用发动机型号为12V190,燃气喷射时刻及喷射持续期控制通过安装在进气歧管的高速电磁阀实现,高速电磁阀的响应时间在0.5ms以内。燃气喷射位置与燃烧室的距离过大时,导致燃气在进气道内的行程增加,如果喷射时刻控制不当,容易发生进气终点时进气门阀座及其附近进气道区域残留燃气的问题,影响电控喷射装置对发动机空燃比的控制精度,严重时甚至出现进气道回火现象。为此,在高速电磁阀上安装弯管,将燃气引导至进气门阀座附近。图1为燃气弯管结构及安装位置示意图。
为了充分利用进气流动的能量改善混合气的形成,将燃气自气门重叠角后开始喷射,燃气停喷时刻需保证进气行程后期缸内混合气倒灌时无过多燃气滞留在进气道,据此确定燃气的喷射持续期。研究用发动机主要用于发电用途,运行工况相对固定,根据标定功率确定循环最大供气量,结合喷射持续期,合理选择燃气的喷射压力及燃气弯管直径等控制参数。上述燃气喷射装置的设计目标是:让燃气喷射阶段与空气有相对较长的混合时间,利用进气流的能量促进喷射的燃气与进气的混合,如图2(a)所示;避免出现喷射持续期过短而无法充分利用进气流的扰动能量;仅依靠缸内气流运动形成混合气的情况,如图2(b)所示。
2 喷射结构对比方案及分析方法
2.1 喷射结构对比方案
为了分析不同喷射结构对缸内混合气形成及燃烧过程的影响规律,设计了四种不同型式的弯管,其结构特点见表1。从表1可以看出,四种方案中,当喷孔朝前布置时,只采用一个大喷孔;采用径向布置多组小喷孔时,小喷孔的流通面积之和与大喷孔的流通面积相同。单管结构两种方式的示意图如图3(a)所示;双管结构的安装示意图如图3(b)所示。
2.2 试验台架搭建
为了评价不同喷射结构对缸内混合气形成及燃烧过程的影响规律,综合采用了数值计算结合燃烧压力测试分析两种方法进行分析。图4为搭建的试验台架示意图。测试工况为发动机标定功率点,发动机带动发电机组发电,输出功率通过负载电阻消耗,采用Kistler公司生产的KiBoxCockpit测试系统实测缸内燃烧压力信号,试验过程中同步测试了1缸及12缸的缸内压力信号。
2.3 混合气形成过程分析方法
采用三维流体动力学分析软件(computation fluid dynamics,CFD)FIRE对缸内混合气形成过程及燃烧过程进行分析。计算涉及到进气、压缩、做功及排气四个阶段。根据发动机实际尺寸建立实体模型,模型包括进排气道、缸盖、进排气门及燃烧室等部分,完整模型如图5所示。通过CFD分析软件生成整个工作循环的动网格模型。
实测发动机进气压力、进气温度及排气压力等数据作为模型的入口及出口边界条件,其他边界条件数据,如缸盖底面温度、缸套温度、活塞表面温度和进排气道壁面温度及进排气门温度等则根据经验及文献[7]参考选取。计算模型的选取根据研究对象的特点及前人的经验,流动模型采用标准的k-ε双方程湍流模型,点火模型选取火花塞点燃模型,燃烧模型则采用CFM-2A连续相关火焰燃烧模型[8,9]。
利用模型计算了发动机标定工况下的缸内燃烧压力曲线,并与同工况实测缸内压力信号进行对比,对模型进行验证和完善。图6为计算与实测结果对比曲线。从图6可以看出,计算结果与实测结果的变化趋势相近,计算得到的缸内最高燃烧压力为8.86MPa,实测缸内最高燃烧压力为9.11MPa。计算值与实测值较为接近,表明边界条件和计算模型的选取合适,可以作为进一步数值分析的基础。
在同样的测试条件下,保持燃气喷射压力及喷射持续期等参数一致,仅改变弯管的型式。利用建立的模型分析了不同弯管喷射时缸内混合气的混合过程。为了评价不同弯管结构时缸内混合气情况,采用临近点火时刻时(压缩上止点前曲轴转角为30°)缸内混合气的浓度区间,即缸内混合气最稀和最浓处的差异,评价不同弯管结构时缸内混合气形成的优劣,该区间分布的范围越大,表明缸内混合气的均匀性越差。通过数值计算模型可以直接得到甲烷的质量分数。图7为方案1临近点火时刻时缸内甲烷质量分布结果。为了便于分析,将甲烷质量分数转化为过量空气系数,用于对缸内混合气的浓度分布区间进行分析。
2.4 缸内燃烧过程分析方法
为了揭示不同弯管结构形成的混合气分布对缸内燃烧过程的影响规律,采用缸内燃烧峰值压力pmax的循环变动率Cov表征各循环燃烧过程的差异。Cov(pmax)的计算公式为:
式中,N为计算燃烧循环差异需要循环个数;σ(pmax)为缸内气体峰值压力的标准方差;为缸内气体峰值压力的算术平均值;pimax为统计循环内各循环的峰值压力。
通过上述公式分析了不同喷射结构对应的燃烧循环差异情况,结合数值计算得到的缸内混合气形成情况,评价不同弯管结构对混合气形成及缸内燃烧过程的影响规律。
3 单管结构对比分析
3.1 混合气形成过程数值解析
利用模型分析了两种单管结构临近点火时刻时缸内过量空气系数的浓度分布区间,方案1的过量空气系数分布区间为[1.198,2.352],方案2的浓度分布区间为[1.241,2.102]。通过对比数据可以明显看出,采用单管方案时,临近点火时缸内混合气的浓度仍有明显差异,这将对后续的燃烧过程产生不利影响。从对比数据还可看出,相对于方案1燃气与空气同向运动而言,方案2燃气沿径向喷出,使得燃气与空气有更大的接触面积,因此有相对更好的混合效果。
3.2 燃烧过程对比分析
在两种方案下,各测试了100个循环的缸内压力曲线,各循环峰值压力对比结果如图8所示。计算了两种方案下的燃烧循环差异,1缸为28.55和25.93,12缸为31.4和26.7。由此可见,两种单管结构喷射时燃烧循环差异均相对较大,且方案2的燃烧循环差异略小于方案1,结合前文对缸内混合情况的分析可知,缸内混合不均是燃烧循环差异大的主要因素。
3.3 单管结构混合不均分析
根据上述分析可知,采用单管结构临近点火时刻时缸内混合气的浓度分布有较大差异,从同步测试的燃烧压力曲线看,燃烧循环差异亦较大。图9为单管结构进气上止点后曲轴转角60°时喷射的燃气与空气的混合情况。从图9可以看出,由于弯管靠近进气门布置,导致喷射的燃气多数都随空气进入相距最近的进气门(A处),而相对较远的另一个进气门(B处)进入的燃气少,由此导致缸内靠近进气门A处的区域在燃气喷射的初期有相对较浓的混合气。虽然从燃气喷射到火花塞点火时刻间还有较长间隔,但由于研究用发动机的缸径较大,且缸内未组织较强的气流运动,燃气的扩散及混合速度慢,导致燃烧开始时缸内混合气的混合均匀程度受到影响。
4 双管结构对比分析
通过上述分析发现,对于研究用发动机而言,采用单管结构对缸内混合气的形成不利。为此,对双管结构喷射方案进行了数值解析及燃烧性能分析。
4.1 混合气形成过程数值解析
图10为方案3进气上止点后曲轴转角60°时,沿两个进气门轴线所做切面,喷射的燃气与空气的混合情况。从图10可以看出,燃气顺着两根燃气管分别到达两个气门处,并向外喷射。由此可知,方案3可以有效解决单管方案存在的燃气主要从一个进气门进入缸内的问题。
利用模型分析了方案3和方案4临近点火时刻时缸内混合气的过量空气系数分别为[1.312,1.983]和[1.421,1.948],从结果看双管结构的混合效果比单管结构明显改善,缸内混合气最浓和最稀处的差距缩小。对于双管结构的两种方案而言,与单管结构类似,当燃气沿径向喷孔向外喷射时会有更好的混合效果。
4.2 燃烧过程对比分析
测试了双管结构两种方案各100个循环的燃烧压力曲线,峰值压力对比曲线如图11所示。计算了两种情况下的燃烧循环差异,1缸为8.9%和7.7%,12缸为9.7%和8.4%。通过与单管结构的对比可以发现,采用双管结构后可以有效地改善缸内混合气的形成,并明显降低燃烧循环差异;此外,当燃气径向喷射时,可以获得更佳的混合效果及燃烧性能。
5 结论
(1)建立了大功率气体机的CFD分析模型,采用临近点火时刻时缸内混合气过量空气系数的浓度区间对缸内混合气的均匀性进行评价。结合实测缸内压力的燃烧循环差异情况,对不同燃气喷射方案的效果进行了分析。
(2)数值计算的结果显示,采用单管结构时,由于燃气大多从靠近喷射位置的进气门进入缸内,影响了缸内混合气的形成质量;通过燃烧压力的分析也可看出,采用单管结构时燃烧循环差异较大。
(3)采用双管结构时,燃气通过两根喷射弯管到达两个进气门处,有效避免过多燃气从一个气门进入的问题。从数值计算和燃烧压力分析结果都可看出,采用双管结构时缸内混合明显改善,燃烧循环差异减少。
(4)不管是单管还是双管结构,当燃气沿径向向外喷射时,与进气有更多的接触面积,相对于顺气流喷射方案而言,能够取得更好的混合效果。
摘要：研究了大功率气体机采用进气道多点顺序喷射方式时,喷射结构对缸内混合气形成及燃烧性能的影响规律。设计了四种不同结构型式的弯管,将燃气引导至进气门阀座附近,在发动机标定工况且保证其他条件一致的条件下,通过数值解析及燃烧测试分析的方法对比了不同弯管对缸内混合气形成及燃烧循环差异的影响规律。研究结果表明:采用单管结构时,多数燃气从靠近弯管的进气门流入缸内,对缸内混合气的形成不利,导致燃烧循环差异较大;采用双管结构时,将燃气分别引导至两个进气门处,可以有效改进缸内混合气的形成质量,燃烧循环差异明显改善;当燃气沿弯管径向喷出时,相对于顺气流喷射方案,能取得更好的混合效果和燃烧性能。
关键词：内燃机,大功率气体机,多点喷射,喷射结构,混合气形成,燃烧性能
参考文献
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