燃气透平升降负荷过程中存在的低频振荡燃烧现象的分析

姜伟强 付贺

摘要：珠海液化燃气透平机组自5 月份投入使用以来，每次升降负荷过程中都存在不同程度的低频振荡燃烧现象，由于振荡燃烧为不稳燃烧，会伴随着放热量和压力的大幅振荡，使系统性能下降并降低燃烧室的使用寿命，发生了两次燃烧室熄火故障。基于强迫共振和热声自激两类燃烧振荡的机理，结合机组的实际运行状态和现象，对低频振荡燃烧现象进行一定程度原因分析，并提供相应解决措施。

关键词：燃气透平;升降负荷;低频振荡燃烧;熄火

1 引言

随着日益增长的对燃气轮机高效率及低排放环保要求，干式低NOx（DLE）燃烧室，贫预混燃烧技术得到了广泛的应用。燃烧振荡是指与常规稳态燃烧不同的周期性振蕩燃烧过程，其压力和燃烧放热等参数都是周期变化的，具有固定频率。这种低频振荡燃烧伴随着强烈的噪声（轰鸣声），同时也会造成燃烧不稳定、结构部件损坏，甚至回火、熄火从而引发灾难性事故。与扩散火焰相比，预混火焰对流动及当量比的变化非常敏感，随着燃烧室单位热强度的增加及TMX 值的不断提高，燃烧室对振荡燃烧也变得特别敏感。珠海液化燃气透平所出现的燃烧室低频振荡燃烧主要出现在升降负荷的过程中，存在特定的区域内，其稳定燃烧的低频压力在50mpsi 左右，不稳定区域出现在100-900mpsi 内。在升降负荷的过程中伴随着转速、主辅燃料气阀的开度、VGV 开度、输出功率等参数的变化。

2 国内外研究现状

振荡燃烧现象存在于各种燃烧、火箭飞机发动机、工业用燃气发电机组及燃气透平机组。对于外部强迫共振机理主要从声学的范畴出发，燃烧室的燃烧系统中存在十分复杂的声学固有频率，假如外界也存在一个激励源频率与其中一个频率吻合，便会激发烟气分子产生共振，主要变现为燃烧压力的大幅波动（也就是所谓的PCB 的波动）。这类燃烧振荡常见于带机械周期运行部件的燃烧设备中。外部强迫振荡的机理比较简单，它有两个必不可少的条件：一是存在外部周期性激励源并达到一定强度;二是激励源频率与燃烧室烟气的固有频率吻合。

对于热声自激振荡燃烧是由系统内部燃烧放热与声压波动互相激励产生的。其一般机理可描述为：如果燃烧放热速率有一个微小的变化，则这个微小的变化会产生声压扰动。声在燃烧室内传播，遇到壁面或不同介质返回，反过来又影响燃料供应速度，使燃烧速度变化。这样燃烧放热与压力波动将相互影响，当相位恰当时便能相互激励，构成正反馈回路。燃烧系统便处于不稳定状态，微小的扰动将在短时间内被放大，随后在非线性因素的作用下建立起一定幅值和频率的振荡。在预混燃烧方式中，燃料在火焰反应区域上游注入，在燃料喷注位置，空气气流的扰动之间具有一个时滞，该时滞导致火焰前言的扰动，因而产生了周期性的放热。这种周期性的放热如果与系统的声学共振频率相位相同，就可以在燃烧室中激励不稳定燃烧，反之，系统稳定。根据李祥晟的研究，对不稳定燃烧触发机理的研究表明：在工业预混燃气轮机燃烧室中，由于燃料侧的供应被阻塞，燃烧室中压力扰动产生空气侧空气流量的变化，使得燃料与空气的当量比发生变化，当量比的扰动产生的放热振荡是不稳定燃烧的激励源，而由燃料喷注位置至火焰前沿的总的有效对流时间是造成放热振荡与声压耦合的关键因素。其对燃料空气当量比变化对振荡燃烧特性影响的数值研究表明：总的燃料空气当量比变化时，会对振荡燃烧的频率和强弱产生一定的影响。总的当量比增加时，由于放热对振荡过程加入的能量增加，因而震荡的幅值增大，这时燃烧室表现为强振荡模式;相反，当总的当量比下降时，由于放热对振荡过程加入的能量减少，因而震荡的幅值下降，这时燃烧室表现为弱振荡模式。Schadow 与Cohen等对贫油预混燃烧室不稳定性进行了实验研究，研究发现，当反应混合物的当量比接近贫油极限时，会出现不稳定的振荡燃烧现象。火焰的纹影图像表明，这种不稳定表现为火焰自身的大尺度、周期性的摆动，因而他们认为这种振荡特性痛燃烧喷注平面上大尺度漩涡的周期性脱离有关，当涡脱离频率与主要声波同相时，燃烧室的不稳定性会由于涡与声学振荡之间交换能量而加剧。

Broda等的研究发现，通常燃烧不稳定性发生在贫油条件下，在当量比为0.6 附近出现压力振荡的峰值。Venkataraman等的研究表明，在不稳定时会形成漩涡，该涡流结构从火焰稳定器上脱落而使火焰表明扭曲。基于这种现象，他们也得出涡流可以驱动不稳定的结论。

Paschereit等对于燃气轮机燃烧室中的不稳定放热机理存在着两种观点：一种是认为放热的扰动是由于反应混合物的供给或质量流量的振荡引起（气体动力学的脉动），另一种观点认为涡卷等流动不稳定性是放热振荡的主要原因（燃烧过程的脉动）。这两种观点的共同点都针对速度场，认为放热与声学耦合是由于速度场得扰动。

3 实际运行分析

根据珠海液化燃气透平在实际运行过程中，燃烧室低频压力波动的检测情况，燃烧室处于稳定状态时，低频PCB-BAND 在100mpsi一下，通常处于50mpsi 左右最为稳定。不稳定燃烧通常处在TMX值在980-1070 度之间，低频PCB-BAND 在100mpsi-900mpsi 之间波动，这时认为透平便处于低频振荡燃烧的状态，并在降负荷的过程中出现熄火的现象。珠海液化燃气透平带动离心式冷剂压缩机对外做功，燃烧室的燃料供给有主燃料气阀和辅助燃料气阀（值班燃料）进行控制，空气由轴流式压气机供给。为更直观地分析低频振荡燃烧发生时机组各参数的变化规律，我们特采集以下几幅图片。（红线代表压气机的出口压力、蓝色代表透平转速、绿色代表TMX值、黄色代表低频PCB-BAND、粉红色代表压气机VGV 开度、橙色代表主燃料阀后压力、青色代表值班燃料阀后压力、黑色代表压气机的转速）。

图1、图2 代表升负荷过程中相关参数的变化情况，图3、图4、图 5、图6 代表降负荷过程中相关参数的变化情况。在透平升负荷的过程中，由于透平功率的不断增加，主燃料气阀提供的燃料气量会不断的增加，值班燃料提供的燃料气量会不断减少，压气机的空气供给量也不断增大，从图中的曲线不难看出，VGV 的开度没有变化，由于透平转速的不断提高，压气机的出口压力，主辅燃料气阀后的压力都在增加和波动，这时的低频PCB-BAND 也出现相应的增长和波动，并伴随着低频振荡燃烧。在降负荷过程中也同样会出现压气机的出口压力，主辅燃料气阀后的压力都在增加和波动，这时的低频PCB-BAND 也出现相应的增长和波动，并伴随着低频振荡燃烧。6张图片中燃烧波动的峰值均出现在各参数快速变化的拐点，而且降负荷过程中的波动峰值较大。

根据曲线的变化情况也不难看出，压气机的出口压力及值班燃料阀后的压力波动是比较频繁。从图4 中我们却发现，在透平升转速时，并没有出现低频振荡燃烧，这时VGV 的开度出现增长和波动，在之后稳定后却出现一段时间的低频振荡燃烧。由长时间的运转经验我们也总结出透平低频振荡燃烧会出现在特定的工况区域内，在低负荷及较高负荷时，透平燃烧比较稳定，不会出现低频振荡燃烧。

主辅燃料气阀的开度及阀后压力波动将影响燃料气的供应流量及流速的波动，而压气机的转速、VGV 的开度变化及压气机出口压力的波动将影响空气进入燃烧室的流速和流量的波动。燃料气和空气所出现的这种初始波动，为气体动力学过程的脉动，这些气流进入预混燃烧室内，发生化学燃烧反应，并产生火焰，如果存在某种程度的耦合，必将在燃烧室内产生相应的扰动。在加上燃烧系统的放热过程具有一定的振荡特性，则将在系统内引起气体的声振;气体介质的振荡经过一系列因素传递又将导致供热振荡过程的加剧，这种反馈的存在，使得自激振荡成为可能。

由此根据上面国内外关于振荡燃烧的研究，可以大胆地猜想和初步判断，珠海液化透平在升降负荷过程中所出现的低频振荡燃烧与空气入口速度及压力、主辅燃料气阀的阀后压力（特别是值班燃料）的波动变化有直接的关系，这种变化引起了空气和燃料的供应产生脉动，同时由于这些脉动在燃烧室内部可能产生涡脱落、旋流、空燃比的变化及其当量比在空间上的周期分布等，这些变化导致燃烧室内的燃烧放热速率发生变化，从而导致低频自激振荡燃烧。

4 防范措施及后续工作

4.1 技术层面

從目前的研究得出，燃烧振荡的控制方法主要有主动控制和被动控制。主动控制是监测燃烧系统内的声压波动，通过仪器调节燃料供应或者外接扬声器，迫使热量输出和声压相位不同步或输入声场与原始声场抵消，从而较少或抵消燃烧振荡的作用。主动控制耗资比较大而且还处于实验研究阶段。

被动控制所采用的方法为：

1）对流体动力学不稳定因素激励或参与的燃烧振荡，可通过设计改变设备关键部位的几何形状，以消除流体学的激励源;

2）加入声抗阻，如吸声材料，使燃烧室产生的压力扰动被吸收，进而切断反馈回路;

3）改变燃烧室和相关烟道的声学固有频率;

4.2 操作层面

根据前期多次通过燃不稳定区域的操作经验总结，现今快速稳定通过这个区域还是可行的，但是，从曲线的变化规律上我们可以看出，波动最大的点也是在操作快速变化的拐点，这种操作存在一定的概率性。通过这个区域，主要是增加透平的功率，这就需要机组的操作与工艺的操作相互配合。

为了更准确地判断珠海液化燃气透平机组在升降负荷过程中存在的低频振荡燃烧不稳定现象的起因和解决方法，还需要专业的检测技术和更多的运行分析。

参考文献：

[1]李祥晟，丰镇平.燃气轮机燃烧室自激励振荡燃烧模拟和控制

[2]童正命，叶立，沈佩雯.燃烧激发振荡的反馈机理讨论.化工进展，2006 年第25 卷增刊.

[3]王宝瑞，张永良，白创军等.DLN 燃烧室的低频燃烧振荡现象研究[A]，工程热物理学报，2012 年第33 卷第11 期.

[4]李俊杰，罗永浩，胡元.燃烧振荡的驱动机理[A]，《燃气轮机技术》，2006 年第19 卷第3 期.