第四講燃燒動(dòng)態(tài)解析課件

第5講燃燒動(dòng)態(tài)脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性分析第5講燃燒動(dòng)態(tài)脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性分析1提綱概述燃燒系統(tǒng)的建模方法脈動(dòng)燃燒加熱爐的模型脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)分析提綱概述2概述電站鍋爐的燃燒系統(tǒng)可以說(shuō)是整個(gè)電站中最復(fù)雜的系統(tǒng)，其中涉及了及其復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，從最簡(jiǎn)化的角度看，大致可以包括：煤粉的多相燃燒過(guò)程固體與氣體在爐膛內(nèi)的多相流動(dòng)過(guò)程以及爐膛內(nèi)高溫?zé)煔獾膫鳠徇^(guò)程對(duì)于上述過(guò)程的機(jī)理研究目前實(shí)際上很不充分，為了得到實(shí)用的模型需要進(jìn)行很多簡(jiǎn)化。因此對(duì)于電站鍋爐的燃燒系統(tǒng)的建模和分析，體現(xiàn)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(shuō)是整個(gè)電站中最復(fù)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(zhǔn)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(shè)忽略鍋爐爐膛的分布參數(shù)特點(diǎn)，假設(shè)煙氣的狀態(tài)參數(shù)和熱流密度在爐膛內(nèi)均勻；以假定的爐膛絕對(duì)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(zhì)能力，以及動(dòng)量假設(shè)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(shè)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(shí)際上是一個(gè)極其簡(jiǎn)單的“集中參數(shù)”模型，該模型完全不考慮爐內(nèi)過(guò)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(duì)汽水系統(tǒng)的影響但是，零維模型足夠簡(jiǎn)單，也能夠反映出鍋爐燃燒系統(tǒng)的主要?jiǎng)討B(tài)特性特點(diǎn)，同時(shí)相比較其他回路（汽水流程）而言，在爐膛內(nèi)從燃燒到放熱過(guò)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(yīng)用。零維模型比較多的應(yīng)用場(chǎng)合在控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中。燃燒系統(tǒng)的零維模型零維模型實(shí)際上是一個(gè)極其簡(jiǎn)單的“集中參數(shù)”9燃燒系統(tǒng)的三維模型考慮爐膛內(nèi)燃燒的過(guò)程的分布參數(shù)特性，以及他們之間流動(dòng)、燃燒換熱過(guò)程及其復(fù)雜的耦合關(guān)系，主要包括：爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)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(nèi)燃燒的過(guò)程的分布參數(shù)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(gè)非線性偏微分方程組，求解非常困難，目前一般是用數(shù)值方法進(jìn)行求解主要用于爐膛內(nèi)的流場(chǎng)分析，典型應(yīng)用場(chǎng)合，燃燒器計(jì)算燃燒系統(tǒng)的三維模型該模型是一個(gè)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(gè)區(qū)域，然后假設(shè)每個(gè)區(qū)域內(nèi)的參數(shù)相同，對(duì)每個(gè)區(qū)域可以近似看作集中參數(shù)對(duì)象，分別進(jìn)行流動(dòng)、燃燒和傳熱的計(jì)算，從而可以在一定程度上簡(jiǎn)化問(wèn)題地分析，實(shí)際上類(lèi)似于分段集中方法。具有較好的精度和計(jì)算速度典型應(yīng)用：電站仿真機(jī)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(shè)：燃燒系統(tǒng)的一維模型基本假設(shè)：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(zhǔn)三維模型對(duì)于三維模型的另外一種簡(jiǎn)化方法，對(duì)某些參數(shù)應(yīng)用三維假設(shè)，另外一些參數(shù)應(yīng)用零維假設(shè)，在復(fù)雜性和簡(jiǎn)單性之間進(jìn)行折衷。同樣也多是應(yīng)用于電站鍋爐的仿真機(jī)的研究中。燃燒系統(tǒng)的準(zhǔn)三維模型對(duì)于三維模型的另外一種簡(jiǎn)化方法，對(duì)某些參17脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性脈動(dòng)燃燒加熱爐的工作原理幾乎所有的燃燒系統(tǒng)按設(shè)計(jì)應(yīng)在穩(wěn)定狀態(tài)下工作，但是當(dāng)出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定時(shí)，經(jīng)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(wú)法正常工作。所以對(duì)于這類(lèi)燃燒裝置，不穩(wěn)定燃燒的出現(xiàn)是不受歡迎的。在可控條件下的某些類(lèi)型的不穩(wěn)定燃燒的效率較穩(wěn)定燃燒更高，脈動(dòng)燃燒則是這樣一類(lèi)特殊的周期性脈動(dòng)的燃燒過(guò)程。其他還有很多類(lèi)似過(guò)程。脈動(dòng)燃燒加熱爐則是采用脈動(dòng)燃燒原理設(shè)計(jì)出來(lái)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(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性脈動(dòng)燃燒加熱爐的工作原理18脈動(dòng)燃燒加熱爐的結(jié)構(gòu)原理圖脈動(dòng)燃燒加熱爐的結(jié)構(gòu)原理圖19脈動(dòng)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(jìn)氣與壓縮脈動(dòng)燃燒加熱爐的工作循環(huán)(a)著火燃燒；（b）膨脹；（c）排20脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性脈動(dòng)燃燒過(guò)程p-v圖脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性脈動(dòng)燃燒過(guò)程p-v圖21脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性脈動(dòng)燃燒加熱爐零維熱力模型燃燒室被一移動(dòng)火焰鋒面分為兩個(gè)區(qū)域-----包含反應(yīng)物的冷區(qū)和包含燃燒產(chǎn)物的熱區(qū)；整個(gè)燃燒室內(nèi)的壓力均勻，且遵循理想氣體定律；物性參數(shù)取為常數(shù)；忽略熱損失，且認(rèn)為尾管內(nèi)的流動(dòng)為不可壓縮無(wú)摩擦流動(dòng)脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性脈動(dòng)燃燒加熱爐零維熱力模型22脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性脈動(dòng)燃燒加熱爐零維熱力模型脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性脈動(dòng)燃燒加熱爐零維熱力模型23脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性脈動(dòng)燃燒加熱爐的信號(hào)流燃燒室內(nèi)發(fā)生的混合、燃燒過(guò)程所產(chǎn)生的壓力振蕩直接影響到反應(yīng)物的入流，而反應(yīng)物的入流又反過(guò)來(lái)導(dǎo)致燃燒室內(nèi)產(chǎn)生一定的壓力振蕩，兩者互為因果，互相影響。第二個(gè)反饋是尾管的阻尼和散熱。顯然尾管內(nèi)的阻尼和散熱會(huì)影響到燃燒室內(nèi)的壓力波動(dòng)，而壓力波動(dòng)又會(huì)直接影響到反應(yīng)物的入流，即第二個(gè)反饋會(huì)對(duì)第一個(gè)反饋發(fā)生作用。脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性脈動(dòng)燃燒加熱爐的信號(hào)流24脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)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(yīng)物的密度、內(nèi)能、容積產(chǎn)物的密度、內(nèi)能、容積空氣-燃?xì)赓|(zhì)量比燃?xì)鉄嶂得}動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性零維模型基本方程25脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性零維模型基本方程燃燒室內(nèi)的質(zhì)量方程尾管內(nèi)連續(xù)方程尾管內(nèi)動(dòng)量方程假設(shè)燃燒室內(nèi)氣體為理想氣體，則狀態(tài)方程入口流量方程脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性零維模型基本方程26脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性方程的求解假設(shè)燃燒室內(nèi)反應(yīng)物和燃燒產(chǎn)物的比熱和氣體常數(shù)相同，則從而有脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性方程的求解27脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)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(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性系統(tǒng)的模型28脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性該系統(tǒng)為一個(gè)二階非線性系統(tǒng)，為系統(tǒng)的阻尼，因此時(shí)，則系統(tǒng)能夠保持為等幅振蕩，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可以得到穩(wěn)定振動(dòng)的條件這些兩個(gè)條件為燃燒爐的結(jié)構(gòu)尺寸和燃?xì)獗鹊暮瘮?shù)，因此設(shè)計(jì)完成后，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素就只有燃?xì)獗让}動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性該系統(tǒng)為一個(gè)二階非線性系統(tǒng)，這些兩個(gè)29脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性脈動(dòng)燃燒加熱爐運(yùn)行頻率的影響因素同樣為燃燒爐的結(jié)構(gòu)尺寸和燃?xì)獗鹊暮瘮?shù)，理想空燃比脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性脈動(dòng)燃燒加熱爐運(yùn)行頻率的影響因素30脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性脈動(dòng)燃燒加熱爐尾管對(duì)運(yùn)行頻率的影響燃燒室尾管燃燒室尾管尾管長(zhǎng)度(m)計(jì)算頻率(Hz)實(shí)測(cè)頻率(Hz)尾管長(zhǎng)度(m)計(jì)算頻率(Hz)實(shí)測(cè)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(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性脈動(dòng)燃燒加熱爐尾管對(duì)運(yùn)行頻率的影響燃31脈動(dòng)燃燒加熱爐的動(dòng)態(tài)特性脈動(dòng)燃燒加熱爐尾管對(duì)運(yùn)行頻率的影響計(jì)算頻率(Hz)計(jì)算頻率(Hz)17.13576.091776.11876.051676.171976.031576.2920