第四講燃燒動態(tài)解析課件

第5講燃燒動態(tài)脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性分析第5講燃燒動態(tài)脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性分析1提綱概述燃燒系統(tǒng)的建模方法脈動燃燒加熱爐的模型脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性的特點分析提綱概述2概述電站鍋爐的燃燒系統(tǒng)可以說是整個電站中最復雜的系統(tǒng)，其中涉及了及其復雜的物理和化學過程，從最簡化的角度看，大致可以包括：煤粉的多相燃燒過程固體與氣體在爐膛內的多相流動過程以及爐膛內高溫煙氣的傳熱過程對于上述過程的機理研究目前實際上很不充分，為了得到實用的模型需要進行很多簡化。因此對于電站鍋爐的燃燒系統(tǒng)的建模和分析，體現了研究人員極大的勇氣和技巧。概述電站鍋爐的燃燒系統(tǒng)可以說是整個電站中最復雜的系統(tǒng)，其中涉3鍋爐燃燒系統(tǒng)的建模方法鍋爐的燃燒系統(tǒng)的建模方法大致可以分為以下幾種方法，零維模型一維模型三維模型準三維模型鍋爐燃燒系統(tǒng)的建模方法鍋爐的燃燒系統(tǒng)的建模方法大致可以分為以4燃燒系統(tǒng)的零維模型主要假設忽略鍋爐爐膛的分布參數特點，假設煙氣的狀態(tài)參數和熱流密度在爐膛內均勻；以假定的爐膛絕對溫度為最高溫度，以爐膛出口溫度作為最低溫度；忽略煙氣的蓄能、蓄質能力，以及動量假設水冷壁、煙氣的溫度均一，并且為灰體燃燒系統(tǒng)的零維模型主要假設5燃燒系統(tǒng)的零維模型基本方程：燃燒系統(tǒng)的零維模型基本方程：6燃燒系統(tǒng)的零維模型基本方程：燃燒系統(tǒng)的零維模型基本方程：7燃燒系統(tǒng)的零維模型基本方程：燃燒系統(tǒng)的零維模型基本方程：8燃燒系統(tǒng)的零維模型零維模型實際上是一個極其簡單的“集中參數”模型，該模型完全不考慮爐內過程，因此不能反映出爐膛溫度分布和熱流密度分布特性的變化，也難以反映出燃燒系統(tǒng)對汽水系統(tǒng)的影響但是，零維模型足夠簡單，也能夠反映出鍋爐燃燒系統(tǒng)的主要動態(tài)特性特點，同時相比較其他回路（汽水流程）而言，在爐膛內從燃燒到放熱過程的速度是非?？斓?，精度的影響還是可以容忍的，因此在工程中還是獲得了應用。零維模型比較多的應用場合在控制系統(tǒng)分析和設計中。燃燒系統(tǒng)的零維模型零維模型實際上是一個極其簡單的“集中參數”9燃燒系統(tǒng)的三維模型考慮爐膛內燃燒的過程的分布參數特性，以及他們之間流動、燃燒換熱過程及其復雜的耦合關系，主要包括：爐內空氣動力場模型氣固兩相流模型傳熱模型氣固兩相燃燒模型燃燒系統(tǒng)的三維模型考慮爐膛內燃燒的過程的分布參數特性，以及他10燃燒系統(tǒng)的三維模型基本方程燃燒系統(tǒng)的三維模型基本方程11燃燒系統(tǒng)的三維模型該模型是一個非線性偏微分方程組，求解非常困難，目前一般是用數值方法進行求解主要用于爐膛內的流場分析，典型應用場合，燃燒器計算燃燒系統(tǒng)的三維模型該模型是一個非線性偏微分方程組，求解非常困12燃燒系統(tǒng)的一維模型基本思想：將爐膛按照煙氣流程分成若干個區(qū)域，然后假設每個區(qū)域內的參數相同，對每個區(qū)域可以近似看作集中參數對象，分別進行流動、燃燒和傳熱的計算，從而可以在一定程度上簡化問題地分析，實際上類似于分段集中方法。具有較好的精度和計算速度典型應用：電站仿真機燃燒系統(tǒng)的一維模型基本思想：13燃燒系統(tǒng)的一維模型基本假設：燃燒系統(tǒng)的一維模型基本假設：14燃燒系統(tǒng)的一維模型燃燒系統(tǒng)的一維模型15燃燒系統(tǒng)的一維模型燃燒系統(tǒng)的一維模型16燃燒系統(tǒng)的準三維模型對于三維模型的另外一種簡化方法，對某些參數應用三維假設，另外一些參數應用零維假設，在復雜性和簡單性之間進行折衷。同樣也多是應用于電站鍋爐的仿真機的研究中。燃燒系統(tǒng)的準三維模型對于三維模型的另外一種簡化方法，對某些參17脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性脈動燃燒加熱爐的工作原理幾乎所有的燃燒系統(tǒng)按設計應在穩(wěn)定狀態(tài)下工作，但是當出現燃燒不穩(wěn)定時，經常伴隨著很大的噪聲，甚至發(fā)生熄火等故障，使燃燒裝置無法正常工作。所以對于這類燃燒裝置，不穩(wěn)定燃燒的出現是不受歡迎的。在可控條件下的某些類型的不穩(wěn)定燃燒的效率較穩(wěn)定燃燒更高，脈動燃燒則是這樣一類特殊的周期性脈動的燃燒過程。其他還有很多類似過程。脈動燃燒加熱爐則是采用脈動燃燒原理設計出來的一種特殊爐型，其較一般穩(wěn)定燃燒裝置具有效率的效率。脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性脈動燃燒加熱爐的工作原理18脈動燃燒加熱爐的結構原理圖脈動燃燒加熱爐的結構原理圖19脈動燃燒加熱爐的工作循環(huán)(a)著火燃燒；（b）膨脹；（c）排氣與回流；（d）進氣與壓縮脈動燃燒加熱爐的工作循環(huán)(a)著火燃燒；（b）膨脹；（c）排20脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性脈動燃燒過程p-v圖脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性脈動燃燒過程p-v圖21脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性脈動燃燒加熱爐零維熱力模型燃燒室被一移動火焰鋒面分為兩個區(qū)域-----包含反應物的冷區(qū)和包含燃燒產物的熱區(qū)；整個燃燒室內的壓力均勻，且遵循理想氣體定律；物性參數取為常數；忽略熱損失，且認為尾管內的流動為不可壓縮無摩擦流動脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性脈動燃燒加熱爐零維熱力模型22脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性脈動燃燒加熱爐零維熱力模型脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性脈動燃燒加熱爐零維熱力模型23脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性脈動燃燒加熱爐的信號流燃燒室內發(fā)生的混合、燃燒過程所產生的壓力振蕩直接影響到反應物的入流，而反應物的入流又反過來導致燃燒室內產生一定的壓力振蕩，兩者互為因果，互相影響。第二個反饋是尾管的阻尼和散熱。顯然尾管內的阻尼和散熱會影響到燃燒室內的壓力波動，而壓力波動又會直接影響到反應物的入流，即第二個反饋會對第一個反饋發(fā)生作用。脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性脈動燃燒加熱爐的信號流24脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性零維模型基本方程燃燒室能量守恒方程式中：反應物的密度、內能、容積產物的密度、內能、容積空氣-燃氣質量比燃氣熱值脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性零維模型基本方程25脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性零維模型基本方程燃燒室內的質量方程尾管內連續(xù)方程尾管內動量方程假設燃燒室內氣體為理想氣體，則狀態(tài)方程入口流量方程脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性零維模型基本方程26脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性方程的求解假設燃燒室內反應物和燃燒產物的比熱和氣體常數相同，則從而有脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性方程的求解27脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性系統(tǒng)的模型將上式代入能量方程，并約去中間變量從而有其中：脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性系統(tǒng)的模型28脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性該系統(tǒng)為一個二階非線性系統(tǒng)，為系統(tǒng)的阻尼，因此時，則系統(tǒng)能夠保持為等幅振蕩，經過推導可以得到穩(wěn)定振動的條件這些兩個條件為燃燒爐的結構尺寸和燃氣比的函數，因此設計完成后，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素就只有燃氣比脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性該系統(tǒng)為一個二階非線性系統(tǒng)，這些兩個29脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性脈動燃燒加熱爐運行頻率的影響因素同樣為燃燒爐的結構尺寸和燃氣比的函數，理想空燃比脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性脈動燃燒加熱爐運行頻率的影響因素30脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性脈動燃燒加熱爐尾管對運行頻率的影響燃燒室尾管燃燒室尾管尾管長度(m)計算頻率(Hz)實測頻率(Hz)尾管長度(m)計算頻率(Hz)實測頻率(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脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性脈動燃燒加熱爐尾管對運行頻率的影響燃31脈動燃燒加熱爐的動態(tài)特性脈動燃燒加熱爐尾管對運行頻率的影響計算頻率(Hz)計算頻率(Hz)17.13576.091776.11876.051676.171976.031576.2920