燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统和分析方法与流程

本发明涉及燃料燃烧特性分析技术领域，更具体地说，涉及一种燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统和分析方法。

背景技术

轴向分级燃烧技术已经广泛应用到燃气轮机，经过现场验证在负荷范围调节和降低排放方面效果显著，同时可以从目前应用轴向分级技术的燃料燃烧室结构发现，生产厂家对轴向分级的掺混性重点关注以及最佳二级燃料/空气的分配比和停留时间的确定，对轴向分级燃烧特性都产生较大影响。但是，对于轴向分级燃烧特性的研究只能在现场进行，研究成本高。

因此，如何降低轴向分级预混燃烧的研究成本，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是如何降低轴向分级预混燃烧的研究成本，为此，本发明提供了一种燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统和分析方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统，包括：

用于引入液体燃料的第一燃料接入端；

用于引入空气的空气接入端；

轴向分级燃烧器，所述轴向分级燃烧器具有主燃烧区和二级燃烧区；

与所述主燃烧区的一级喷射组件连通的第一一级燃料供应管；

与所述二级燃烧区的二级喷射组件连通的第一二级燃料供应管；

连通所述第一燃料接入端与所述第一一级燃料供应管和所述第一二级燃料供应管的燃料分配器，所述燃料分配器能够调节进入所述第一一级燃料供应管的第一一级燃料流量和进入所述第一二级燃料供应管的第一二级燃料流量；

与所述主燃烧区的空气进口连通的一级空气供应管；

与所述第一二级燃料供应管连通的二级空气供应管；

连通所述空气接入端与所述一级空气供应管和所述二级空气供应管的空气分配器，所述空气分配器能够调节进入所述一级空气供应管的一级空气流量和进入所述二级空气供应管的二级空气流量；

用于检测所述轴向分级燃烧器排出的烟气中的污染物含量的烟气检测仪；

用于采集所述主燃烧区的主燃烧火焰图像和二级燃烧区的二级燃烧火焰图像的火焰采集仪；以及

控制器，接收工况参数，根据所述工况参数，控制所述空气分配器和所述燃料分配器，以调节所述一级空气流量、所述二级空气流量、所述第一一级燃料流量和所述第一二级燃料流量在对应的第一阈值内；并获得该工况参数下对应的污染物含量、主燃烧火焰图像和二级燃烧火焰图像。

优选地，在上述燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统中，所述分析系统还包括：

设置在所述第一燃料接入端与所述燃料分配器之间的气化器；

用于引入气体燃料的第二燃料接入端；

与所述第一一级燃料供应管连通的第二一级燃料供应管；

与所述第一二级燃料供应管连通的第二二级燃料供应管；

燃料分配器连通所述第二燃料接入端与所述第二一级燃料供应管和所述第二二级燃料供应管，所述燃料分配器能够调节进入所述第二一级燃料供应管的第二一级燃料流量和进入所述第二二级燃料供应管的第二二级燃料流量；

所述控制器根据所述工况参数，控制所述燃料分配器，以调节所述第二一级燃料流量和所述第二二级燃料流量在对应的第二阈值内。

优选地，在上述燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统中，所述气化器包括：

气化罐；

与所述第一燃料接入端连通的气化管，所述气化管设置在所述气化罐内部；和

用于对所述气化罐内的油浴进行加热的预加热器。

优选地，在上述燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统中，所述燃料分配器包括设置在所述第一一级燃料供应管上的第一质量流量控制器和设置在所述第一二级燃料供应管上的第二质量流量控制器。

优选地，在上述燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统中，所述燃料分配器还包括设置与设置在所述第二一级燃料供应管上的第五质量流量控制器和设置在所述第二一级燃料供应管上的第六质量流量控制器。

优选地，在上述燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统中，所述第五质量流量控制器并联设置的第七质量流量控制器，其中，所述第七质量流量控制的量程为0-37.5slm。

优选地，在上述燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统中，所述空气分配器包括设置在所述一级空气供应管上的第三质量流量控制器和设置在所述二级空气供应管上的第四质量流量控制器。

优选地，在上述燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统中，所述第一燃料接入端还设置有第一开关阀，所述第一一级燃料供应管设置有第二开关阀，所述第一二级燃料供应管设置有第三开关阀，所述空气接入端还设置有第四开关阀。

优选地，在上述燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统中，所述二级喷射组件包括四个喷嘴，所述工况参数还包括喷嘴的开启数量，所述二级喷射组件根据所述工况参数确定喷嘴的开启或关闭。

优选地，在上述燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统中，所述喷嘴的直径为1mm或2mm，四个所述喷嘴交叉布置。

本发明还公开了一种燃料轴向分级预混燃烧特性的分析方法，包括：

将燃料与第一燃料接入端对接；

将空气与空气接入端对接；

设定工况参数；

接收工况参数，根据所述工况参数，控制所述空气分配器和所述燃料分配器，以调节所述一级空气流量、所述二级空气流量、所述第一一级燃料流量和所述第一二级燃料流量在对应的第一阈值内；并获得该工况参数下对应的污染物含量、主燃烧火焰图像和二级燃烧火焰图像。

优选地，燃料轴向分级预混燃烧特性的分析方法，所述方法还包括：

将燃料与第二燃料接入端对接；

根据所述工况参数，控制所述燃料分配器，以调节所述第二一级燃料流量和所述第二二级燃料流量在对应的第二阈值内。

优选地，燃料轴向分级预混燃烧特性的分析方法，所述工况参数包括：总当量比、二级当量比和二级负荷比；所述污染物含量包括nox含量和co含量。

从上述的技术方案可以看出，采用本发明中燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统，能够获得不同工况参数下的污染物含量、主燃烧火焰图像和二级燃烧火焰图像，从而得到轴向分级预混燃烧特性。因此不需要在现场进行验证，降低了轴向分级预混燃烧的研究成本。另外，本发明中燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统还可针对不同的燃料进行分析，适用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统的原理图；

图2为本发明实施例所提供的又一种燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统的原理图；

图3为本发明实施例所提供的又一种燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统的原理图；

图4为本发明实施例所提供的又一种燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统的原理图；

图5为本发明实施例所提供的又一种燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统的原理图；

图6为本发明实施例所提供的又一种燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统的原理图；

图7为本发明实施例所提供的又一种燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统的原理图；

图8为本发明实施例所提供的又一种燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统的原理图。

图中，101为第一燃料接入端、102为第一一级燃料供应管、103为第一二级燃料供应管、104为空气接入端、105为一级空气供应管、106为二级空气供应管、01为第二燃料接入端、102为第二一级燃料供应管、103为第二二级燃料供应管、200为轴向分级燃烧器、300为燃料分配器、301为第一质量流量控制器、302为第二质量流量控制器、303为第五质量流量控制器、304为第六质量流量控制器、304为第七质量流量控制器、400为气化器、500为空气分配器、501为第三质量流量控制器、502为第四质量流量控制器、600为烟气检测仪、700为火焰采集仪、800为控制器。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统和分析方法，以降低轴向分级预混燃烧的研究成本。

此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。

请参阅图1至图8，本发明中的燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统，包括：第一燃料接入端101、空气接入端104、轴向分级燃烧器200、第一一级燃料供应管102、第一二级燃料供应管103、燃料分配器300、一级空气供应管105、二级空气供应管106、空气分配器500、烟气检测仪600、火焰采集仪700和控制器800。其中：

第一燃料接入端101，用于引入液体燃料，液体燃料直接与第一燃料接入端101对接，以对整个系统提供燃料；

空气接入端104，用于引入空气，空气直接与空气接入端104对接，以为整个系统提供空气；

轴向分级燃烧器200，具有主燃烧区和二级燃烧区；主燃区和二级燃烧区分别采用300mm长度的石英玻璃管，其中主燃区燃烧器采用贫预混燃烧，二级燃烧区同样采取预混燃烧。二级燃烧区的喷射组件包括由四个可以分别控制闭合的喷嘴，二级喷嘴直径采用1mm或2mm，布置方式为交叉布置。

第一一级燃料供应管102，与主燃烧区的一级喷射组件连通，用于将燃料引入至主燃烧区的一级喷射组件中以在主燃烧区中进行燃烧；

第一二级燃料供应管103，与二级燃烧区的二级喷射组件连通，用于将燃料引入至二级燃烧区的二级喷射组件中以在二级燃烧区中进行燃烧；本发明实施例中，第一二级燃料供应管103为橡胶管，并且管道长度较长，二级燃料/空气预混气在喷入二级燃烧区之前已经达到了掺混均匀的状态。

燃料分配器300，连通第一燃料接入端101与第一一级燃料供应管102和第一二级燃料供应管103，燃料分配器300能够调节进入第一一级燃料供应管102的第一一级燃料流量和进入第一二级燃料供应管103的第一二级燃料流量；能够实现对第一一级燃料供应管102和第一二级燃料供应管103进行燃料分配的结构有很多，本发明并不进行重点描述，为了达到精准控制，本发明实施例中进一步的，燃料分配器300包括设置在第一一级燃料供应管102上的第一质量流量控制器301和设置在第一二级燃料供应管103上的第二质量流量控制器302，其中，第一质量流量控制器301的量程为0-200slm，其精度为1％满量程，第二质量流量控制器302的量程为0-5slm。

一级空气供应管105，与主燃烧区的空气进口连通，用于向主燃烧区提供空气；

二级空气供应管106，与第一二级燃料供应管103连通，用于与第一二级燃料供应管103中燃料进行预混合；只要能够实现将空气引入至第一二级燃料供应管103的管路均在本发明的保护范围内。本发明实施例中二级空气供应管106为橡胶管，管道长度较长，以使得空气与燃料能够在进入二级燃烧区的二级喷射组件之前已经达到了掺混均匀的目的；

空气分配器500，连通空气接入端104与一级空气供应管105和二级空气供应管106，空气分配器500能够调节进入一级空气供应管105的一级空气流量和进入二级空气供应管106的二级空气流量。能够实现将对不同管道进行空气分配的结构有很多，本发明并未具体描述，且为了达到精准控制，本发明实施例中空气分配器500包括设置在一级空气供应管105上的第三质量流量控制器501和设置在二级空气供应管106上的第四质量流量控制器502，其中，第三质量流量控制器501的量程为0-1000slm，第四质量流量控制器502的量程为0-60slm。

烟气检测仪600，用于检测轴向分级燃烧器200排出的烟气中的污染物含量。通常状态下，该烟气检测仪600包括烟气取样探针和烟气分析仪，其中，取样探针用于对烟气进行取样，而烟气分析仪用于分析烟气中的o2、co、no和no2含量，本发明实施例中，取样探针设置于二级燃烧区出口，采样孔正对烟气来流方向，取样探针将烟气引入烟气分析仪中，分析烟气中o2、co、no和no2含量，o2测量精度为±0.2％，co、no和no2的测量精度为±5％测量值。在实际测量烟气成分时，烟气成分数据采取烟气成分稳定之后的一段时间内，进行算数平均，得到该工况下的烟气成分，nox/co排放数据均已经按照国标要求折算到干式氧浓度15％的状态(@15％o2)。

火焰采集仪700，用于采集主燃烧区的主燃烧火焰图像和二级燃烧区的二级燃烧火焰图像。为获得不同燃烧工况下火焰的热释放强度，还测试获得了oh*(oh化学自发荧光)分布，表明主要反应区的位置，oh*信号越强，表示当地的热释放率越高，oh*信号越弱，表示热释放率越低。oh*测试采用iccd(增强型ccd)相机结合bp308/10窄带滤波片测量获得，设置iccd快门速度700000ns、延迟时间值为5ns，保证在每个脉冲的脉宽内进行测量，可准确捕捉火焰形态，并减少杂波的干扰。图像经过背景噪声修正后再进行平均(average，avg)、均方根(rootmeansquare，rms)等方法进行处理。

控制器800，接收工况参数，根据工况参数，控制空气分配器500和燃料分配器300，以调节一级空气流量、二级空气流量、第一一级燃料流量和第一二级燃料流量在对应的第一阈值内；并获得该工况参数下对应的污染物含量、主燃烧火焰图像和二级燃烧火焰图像。上述工况参数包括：总当量比、二级当量比和二级负荷比；污染物含量包括：nox含量和co含量。

采用本发明中燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统，能够获得不同工况参数下的污染物含量、主燃烧火焰图像和二级燃烧火焰图像，从而得到轴向分级预混燃烧特性。因此不需要在现场进行验证，降低了轴向分级预混燃烧的研究成本。另外，本发明中燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统还可针对不同的燃料进行分析，适用范围广。

本发明中的分析系统不仅可以用于分析液体燃料的轴向分级预混燃烧特性，还可以分析液体燃料-气体燃料的轴向分级预混燃烧特性。

在本发明另一实施例中，为了进一步扩展该分析系统的适用范围，本发明中的燃料轴向分级预混燃烧特性的分析系统在以上各实施例的基础之上还包括：

设置在所述第一燃料接入端101与所述燃料分配器300之间的气化器400；气化器400的作用是对于预混合之前的液体燃料进行气化，气化后的液体燃料与气体燃料进行混合。该气化器400包括：气化罐401；与所述第一一级燃料供应管102连通的气化管402；和用于对气化罐401内的油浴进行加热的预加热器403。当液体燃料进入至气化管402中时，在预加热器403下对油浴进行预加热，油浴对气化管402中的燃料进行预加热以气化。为了精确控制，上述气化器中还可以设置温度传感器，用于检测油浴的加热温度；进一步的还可以设置压力传感器，用于检测气化管402中的气化后的燃料的压力值。

用于引入气体燃料的第二燃料接入端107；

与第一一级燃料供应管连通的第二一级燃料供应管108；

与第一二级燃料供应管连通的第二二级燃料供应管109；

上述燃料分配器300连通第二燃料接入端107与第二一级燃料供应管108和第二二级燃料供应管109，燃料分配器能够调节进入第二一级燃料供应管108的第二一级燃料流量和进入第二二级燃料供应管109的第二二级燃料流量；进一步的，该燃料分配器300在设置第一质量流量控制器301和第二质量流量控制器302的基础之上，该燃料分配器300还包括设置与设置在第二一级燃料供应管108上的第五质量流量控制器303和设置在第二一级燃料供应管108上的第六质量流量控制器304。其中，第五质量流量控制器303的量程为0-200slm，其精度为1％满量程，第六质量流量控制器304的量程为0-5slm。第五质量流量控制器303并联设置的第七质量流量控制器305，其中，第七质量流量控制器305的量程为0-37.5slm。当在工况参数下超过了第五质量流量控制器303的量程时，控制器300选取第七质量流量控制器305来调节分配到第二二级燃料供应管109的流量。

对应的控制器，还包括根据工况参数，控制燃料分配器300，以调节第二一级燃料流量和第二二级燃料流量在对应的第二阈值内。

为了进一步扩展该分析系统的适用范围，本发明二级燃烧区中的二级喷射组件中包括四个喷嘴，工况参数还包括喷嘴的开启数量，二级喷射组件根据工况参数确定喷嘴的开启或关闭。喷嘴的直径为1mm或2mm，四个喷嘴交叉布置。

基于燃料轴向分级针对二级预混气不同当量比chemkin零维分析模拟结果，发现增大二级当量比有利于降低nox排放，选取二级当量比为5的工况，进行不同二级负荷比例实验研究，考虑到二级火焰长度不能太长，二级当量比为5时的二级喷嘴结构布置为二级喷嘴数量2个，直径为2mm。改变二级负荷比例为5％和10％，针对相同二级负荷比例，通过改变总当量比研究不同绝热火焰温度下燃烧特性，二级负荷比例为5％时，第一二级燃料流量较小，第二质量流量控制器302采用精度较高的bronkhorst热式质量流量计/控制器进行控制，其精度为±0.8％读数+±0.2％满量程，量程为0-5slm；当燃料二级负荷为10％时，采用第三质量流量控制器303采用量程为0-60slm热式质量流量计，其精度为1％满量程；

为使用精度较高的bronkhorst热式质量流量计控制燃料二级负荷比例不变，考虑到二级负荷比例较大时，会超出bronkhorst量程，因此，选取二级负荷比例为5％时进行不同二级预混气当量比实验研究。二级当量比分为贫燃和富燃两种情况，同时为避免二级预混气不同绝热火焰温度对燃料轴向分级燃烧nox/co排放的影响，选取当量比1附近绝热火焰温度相同的两个当量比进行研究，分别为0.8和1.25。通过改变总当量比测量不同火焰温度下相同燃料二级负荷比例和二级当量比的nox/co排放。

同样考虑到二级燃料测量精确度，选取二级负荷比例为5％时进行不同燃料分级喷射结构的研究。不同燃料分级喷射结构分为二级喷射方式和二级喷嘴直径，二级喷射方式分别为4个喷嘴交叉射流和2个喷嘴相对射流，二级喷嘴直径分别为1mm和2mm。

燃料轴向分级的燃烧特性影响研究主要考察火焰结构和污染物排放，重点关注污染物排放，并与传统贫预混燃烧对比分析轴向燃料分级燃烧优势。

请参阅图6至图8，为了方便控制，第一燃料接入端101、第一一级燃料供应管102、第一二级燃料供应管103、第二燃料接入端107、第二一级燃料供应管108、第二二级燃料供应管109、空气接入端104、一级空气供应管105、和二级空气供应管106还设置有开关阀。通过设置开关阀能够控制第一燃料接入端处的燃料引入的开断段；能够直接控制第一一级燃料供应管上的燃料引入的开断；能够直接控制第一二级燃料供应管上的燃料引入的开断。能够控制第二燃料接入端处的燃料引入的开断段；能够直接控制第二一级燃料供应管上的燃料引入的开断；能够直接控制第二二级燃料供应管上的燃料引入的开断。能够直接控制空气接入端引入空气的开断，能够直接控制一级空气供应管105空气的开断，能够直接控制二级空气供应管106空气的开断。

本发明还公开了一种燃料轴向分级预混燃烧特性的分析方法，包括：

将燃料与第一燃料接入端对接；

将空气与空气接入端对接；

设定工况参数；本发明中可以根据经验设定工况参数以得到较为有利的实验数据。

接收工况参数，根据所述工况参数，控制所述空气分配器和所述燃料分配器，以调节所述一级空气流量、所述二级空气流量、所述第一一级燃料流量和所述第一二级燃料流量在对应的第一阈值内；并获得该工况参数下对应的污染物含量、主燃烧火焰图像和二级燃烧火焰图像。

进一步，该方法还包括：

将燃料与第二燃料接入端对接；

根据所述工况参数，控制所述燃料分配器，以调节所述第二一级燃料流量和所述第二二级燃料流量在对应的第二阈值内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。