燃气轮机燃烧压力脉动与测量关键技术研究

刘志敏，丁阳，徐婷婷，白云山

(1.华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030；2.杭州华电能源工程有限公司，杭州 310030)

0 引言

燃气轮机(以下简称燃机)排放污染物NOx含量与燃烧温度密切相关，随着NOx排放标准越来越高，从20世纪90年代起新型燃机均采用预混燃烧方式取代传统的扩散火焰喷注冷却剂法，以降低火焰温度，达到降低NOx排放的目的[1]。预混燃烧采用燃料和空气均相混合后燃烧的方式，避免了局部当量比过高产生高温区，极大地降低了NOx排放质量浓度；但可供稳定燃烧的燃气当量比变化范围非常小，燃烧区域相对集中，容易发生火焰吹熄与燃烧振荡[2]现象。

燃烧压力脉动是用来描述燃烧振荡的术语。不同的燃机制造商使用不同的名称，包括嗡鸣、脉动、声学等。

燃烧压力脉动会导致大幅振动，造成通流部件的热和机械应力疲劳，引起燃烧室部件的损坏。当低频的、高振幅的燃烧压力脉动发生时，会引起流动和燃烧不稳定，严重时引起燃烧室回火、喷嘴熄灭等问题，造成停机事故[3]。

1 燃烧压力脉动产生机理

产生高振幅燃烧压力脉动的原因有很多，在燃机燃烧系统中，燃烧压力脉动的最重要来源通常是热声耦合[4]。当火焰放热与燃烧室内的声压波动同相或接近同相时会产生高幅值脉动，这被称为瑞利(Rayleigh)准则[5]。

图1所示为火焰放热与燃烧室内声压波动基本同步时相互作用的曲线，在声压压力最大时向燃烧系统释放热量，系统内的压力会叠加。这一现象会重复出现，每个循环周期均向系统释放热量，造成燃烧压力脉动增加。

图1 火焰放热与声压波动同相示例Fig.1 Example of heat release and acoustic wave with the same phase

燃烧压力脉动可能增加到破坏性的水平，如果脉动的某些频率与某燃烧部件达到共振时，会引起部件的严重损坏。上述情况只有在热量释放与压力波动同相或几乎同相时才会发生。相反，如果放热与压力波动异相，压力脉动则会减小。

1.1 简单反馈模型

使用简单的反馈模型[6]可以解释导致燃烧压力脉动的过程。各种文献中表述方法不同，本文基于传统控制理论论述。

燃烧系统概图如图2所示，在图2中，燃料和空气混合物压力脉动由其燃烧产物离开火焰的体积速度的波动分量(qC)和波动压力(p)组成，这2个参数与燃料和空气混合物的声阻抗(ZS)相关。对于给定的介质和几何形状，声阻抗

(1)

式中：Z为声阻抗；p为压力；q为体积速度。

图2 燃烧系统概图Fig.2 Simplified overview of a combustion system

燃烧产物与燃料和空气混合物供应之间存在的反馈回路如图3所示，图中：qS为燃料和空气混合物的体积速度；C为传递函数；qC为燃烧产物离开火焰的体积速度；ZC为燃烧室内的声阻抗；ZS为燃料和空气混合物的声阻抗。C，ZC，ZS都具有幅度和相位。

图3 图2的简单反馈模型Fig.3 Simple feedback model of Fig.2

反馈机理如图4所示。所提供燃料和空气混合物的体积速度为qS，当它通过火焰时，火焰就像一个具有传递函数C的放大器，燃烧产物离开火焰的体积速度(qC)将取决于其进入火焰的体积速度(qS)和传递函数C。

图4 图2和图3所示反馈回路的反馈机制Fig.4 Feedback mechanism for the feedback loop in Fig.2 and Fig.3

在燃烧室中，燃烧产物的压力(p)取决于燃烧产物离开火焰的体积速度(qC)和燃烧室内的声阻抗(ZC)。

向燃烧室内的火焰供应燃料时也会影响燃烧室内的压力(p)，压力(p)除以燃料与空气混合物的声阻抗(ZS)得到新的燃料和空气混合物体积速度(qS)。

1.2 开环增益(G)

如图3中的反馈回路所示，脉动压力(p)是由燃料和空气混合物体积速度(qS)施加的初始波动产生的

(2)

(3)

式中：G为开环增益；C为火焰传递函数。

如果G为负，反馈振荡与原始扰动同相时，将会叠加。如果G为正，在原始扰动的相位出现时，反馈振荡将减弱，并趋于抵消。

以上尽管考虑了预混燃料的体积速度，但从图3和图4可以看出，体积速度的增加会导致燃烧室压力脉动的增加。因此，G的相位值有可能导致燃烧室内压力脉动的增加。

1.3 伯德图

上述开环增益公式是由复数组成的，具有大小和相位。开环增益也会随着振荡频率的变化而变化，可以在伯德图上进行绘制。图5是某西门子SGT-100机组测试条件下的伯德图示例。

图5 西门子SGT-100开环增益的伯德图Fig.5 Bode plot of the open-loop gain for Siemens SGT-100

从图5可以看出，当相位为-180°，且G大于1时，可能发生高幅度的燃烧压力脉动。

根据瑞利准则，G=-180°的相位是指热量释放与压力波动的相位一致。当G大于1，且相位等于-180° 时，很有可能发生燃烧振荡。

图5中有3个频率G=-180°，大约为165，329和732 Hz。在165 Hz时，G大于1；在329 Hz时，G约等于1，也可能出现燃烧振荡，但比165 Hz时的可能性要小。

2 燃烧压力脉动的测量

2.1 压力传感器测点位置

燃烧压力脉动的测量[7-10]需使用压力传感器来进行，测量位置可以在燃烧室附近，也可以位于燃机罩壳外部。

2.1.1 压力传感器安装在燃烧室附近

如果压力传感器靠近燃烧器，必须能承受高温。压力传感器通常通过一段短管连接到燃烧室，由于管道内存在少量“滞留”空气，高温燃烧产物不会直接与压力传感器接触。但传感器在燃机外壳内，并与燃机壳体接触，温度仍可达200 ℃左右，所以使用的压力传感器必须能承受这种高温，而这种压力传感器通常比较昂贵。图6为压力传感器安装在燃烧室附近的实例。

图6 压力传感器安装在燃烧室附近Fig.6 Dynamic pressure transducer located besides the combustor

2.1.2 压力传感器安装在燃机罩壳外部

另一种方式是将压力传感器安装在燃机罩壳外部。燃烧室内的压力波动通过“引压管”传输到燃机罩壳的外部。“引压管”直径通常为1/4英寸(约6 mm)，长度需要足够长(最长可达5 m)，以便引到罩壳的外部。

罩壳外部温度较低，可以使用成本较低的压力传感器。但是压力传感器安装在燃机罩壳外部，燃烧压力脉动信号会有显著衰减，而且高频压力脉动比低频压力脉动衰减严重，可能导致高频压力脉动无法检测。因此，当存在高频燃烧压力脉动风险时，一般不推荐此安装方式。

使用不同长度引压管引至燃机罩壳外部的压力脉动信号衰减趋势如图7所示(该图仅适用于直径6 mm、温度426.85 ℃和压力为2.026 MPa的引压管)。引压管越长，衰减趋势越明显。当引压管长0.1 m时，即使在较高的频率下，衰减也很小；但如果引压管长5 m，则会导致显著的衰减。在GE公司DLN-2.0+燃烧系统中，对于2 000 Hz的压力脉动，在5 m长引压管末端的信号强度仅为原始值的一半。

2.2 封闭式及半无限探头

压力脉动传感器主要有封闭式探头和半无限式探头。图8是两种探头示例。

图8 封闭式及半无限式探头Fig.8 Closed and semi-infinite probes

2.2.1 封闭式探头

封闭式探头的缺点是驻波可能导致与探头1/4波频奇数倍相关时产生强烈的探测响应。

图9为一台阿尔斯通GT26燃机测量探头的频谱示例。此时，介质是空气，温度约为370 ℃，声速约为509 m/s。已知探头长度为25 mm，其直径为10 mm，从一端封闭管道的基本波动理论得出其有效长度为33.5 mm。

可以计算得出1/4波频

(4)

式中：f为1/4波频；c为声速；LE为探头有效长度。

图9 GT26测量探头的频谱示例Fig.9 Example of frequency spectrum of GT26 measuring probe

该探测响应可能与燃烧系统中的部分频率重合。如果适当缩短有效长度，可把探头响应频率提到足够高。如果无法缩短有效长度，也可根据燃烧压力脉动频率，设计探测响应不与压力脉动频率相重合时的探头长度。

使用短而封闭的探头，信号衰减可以忽略不计。

2.2.2 半无限探头

当压力传感器必须远离燃烧室时，需要使用较长的引压管才能使压力传感器位于燃机罩壳外部。如果长引压管在靠近压力传感器的一端封闭，所有其他条件与前一节中所示的封闭式探头相同，则在图9中，1/4波频约为25 Hz。但传感器不仅仅探测响应25 Hz频率压力脉动，还会探测响应25 Hz的所有奇数倍频率。此外，引压管中的温度变化也会导致上述压力脉动频率的变化。可以通过使用半无限探头来避免上述驻波问题。图10为GE公司燃机燃烧压力脉动监测系统示意图。

2.3 典型的测量流程

图11为典型的压力脉动测量装置安装在燃烧室附近的测量流程。图12为压力脉动测量装置位于燃机罩壳外的替代方法。显然第2种方法更简单，但存在图7的信号衰减等缺点。

2.3.1 压力传感器

几乎所有压力传感器都是电压输出型的，例如Meggitt CP 216压力传感器,其主要优势是能在高温环境下工作。

压电式压力传感器基于检测压力变化产生电压信号，对来自各种环境因素(如射频干扰，电磁干扰和噪声干扰)的影响十分敏感，采集到的信号应尽可能快地使用信号调节器进行转换。压电式压力传感器适用于位于燃烧器附近的测量装置。

图11 压力脉动测量流程(安装在燃烧室附近)Fig.11 Pressure fluctuation measurement procedures (located besides the combustor)

如果测量装置位于燃机罩壳外，可以使用成本较低的压力传感器，直接连接到数据采集系统，简化测量流程，进一步降低成本，如图12所示。

图12 压力脉动测量流程(安装在燃机壳体外)Fig.12 Pressure fluctuation measurement procedures (located outside the combustor)

2.3.2 信号调节器

来自压电式压力传感器的信号容易受到干扰，为避免这种情况，将信号转换为基于电流的信号，例如Meggitt IPC704信号调节器可以将输入信号转换为电流或电压信号。如果信号需要长距离传输，则首选电流信号输出。

燃机电厂设备信号必须从信号调节器所在的位置传输到集控室，距离较远，应选择输出为电流信号的信号调节器。如果使用电流信号输出配置，则需要电流分离单元。

2.3.3 电流分离单元

电流分离单元(如Meggitt GSI127)可以将信号调节器产生的电流信号转换为电压信号。它也用于隔离需要相互通信的2个电路，但其电路可能处于不同电位。信号调节器的电源也由电流分离单元提供。

2.3.4 数据采集单元

数据采集单元(如NI 9234)是将电压信号等模拟输入转换成数字信号的系统，数字信号可以被发送到计算机进行进一步处理。

2.3.5 计算机与软件

从数据采集单元获取数字输出，并将测量的燃烧压力脉动执行快速傅里叶变换(FFT)，将基于时间的输入信号转换成频谱，用于进一步分析。

3 结束语

燃机燃烧振荡是预混燃烧技术中一个关键且不可回避的问题。燃烧压力脉动机理研究是解决燃烧振荡问题的基础。燃烧压力脉动分析和测量，是基础试验研究的有效补充。

国内在燃机研发、设计、制造方面仍较薄弱，燃烧振荡技术研究主要依赖高校和科研院所的实验室研究，但实验室研究缺乏针对具体机型的研究和先进燃烧压力脉动测量技术。

本文应用燃机燃烧机理，结合简单的反馈模型、开环增益、伯德图，阐述了燃机燃烧压力脉动的产生机理。并结合压力传感器测点安装位置、传感器类型等，介绍了燃烧压力脉动测量的关键技术以及典型的测量流程。