【摘要】：能源是人類各項活動的重要物質(zhì)基礎。在過去幾十年中,我國經(jīng)濟飛速發(fā)展,但由此也帶來日益顯著的能源及環(huán)境問題。目前我國火力發(fā)電最主要的原材料是煤炭,然而對其極度依賴,不僅將面臨著資源日益枯竭的困境,還導致了較為嚴重的SOx、NOx、粉塵等大氣污染物以及CO2的排放,隨之而來的環(huán)境問題,如霧霾、酸雨、氣候變暖等也日益嚴峻,嚴重危害到周邊居民的身心健康。因而,研究和發(fā)展不依賴于煤炭的發(fā)電技術(shù),具有重大的現(xiàn)實意義。其中,以氣體燃料為工質(zhì)的燃氣輪機發(fā)電技術(shù),不僅能解決鋼鐵工業(yè)的電力生產(chǎn)問題,而且在節(jié)能減排和環(huán)境改善方面也有所突破。燃氣輪機是一種旋轉(zhuǎn)鍋爐式熱力發(fā)動機,它把熱能轉(zhuǎn)換為機械能,并使用連續(xù)流動的氣體作為工質(zhì)。它最初應用在航空發(fā)動機領域,之后在能源、國防、交通等領域獲得廣發(fā)應用,成為這些領域高新科技的核心裝備。燃氣輪機課題研究的重點是燃燒器的設計和性能分析,而對燃燒器的火焰檢測則是分析燃燒器性能、優(yōu)化燃燒器設計結(jié)構(gòu)的重要手段。本文以過程層析成像(Process tomography,PT)技術(shù)為基礎,針對本實驗室自行設計研發(fā)的錐形燃氣輪機旋流環(huán)保型燃燒器(即Swirl-induced environmental burner,簡稱EV燃燒器)進行三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化火焰檢測,開展的主要工作有:一、設計和搭建了基于過程層析成像系統(tǒng)的火焰檢測平臺。過程層析成像技術(shù)是一種應用于工業(yè)可視化檢測領域的非侵入式實時測量方法,可以在不破壞被測工質(zhì)的狀態(tài)下,對工業(yè)過程量及被測參數(shù)的內(nèi)部行為進行實時監(jiān)測成像。其中電容層析成像技術(shù)(Electric capacitance tomography,ECT)是一種以電容變化量為檢測參數(shù)的過程層析成像技術(shù),被認為是多相流檢測領域最有前景的可視化檢測方法之一。將ECT應用于火焰檢測領域是對該技術(shù)的一項應用創(chuàng)新。盡管目前學術(shù)界仍對ECT檢測火焰的機理存在爭議,但已普遍認可ECT能夠檢測到火焰的電離現(xiàn)象。本文在前人的工作基礎上,設計和制作了多種適用于三維火焰檢測的電容傳感器,包括平面電極片全開放式傳感器及平面與環(huán)形電極片集成式傳感器,采用三維圖像重建及數(shù)據(jù)融合等數(shù)據(jù)處理方法,實現(xiàn)了對火焰的燃燒狀況及三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為準確的實時成像。二、為了實現(xiàn)與ECT重建的火焰圖像進行對照分析,本文在電學層析成像技術(shù)的基礎上,進一步融合平面激光誘導熒光(Planar laser induced fluorescence,PLIF)技術(shù)等光學手段,實現(xiàn)對火焰中OH自由基的濃度分布實時檢測。PLIF技術(shù)是一種用以探測待測的分子或原子被激光激發(fā)后在特定的量子態(tài)聚居密度的共振躍遷技術(shù),在特定染料的激發(fā)下可用于檢測火焰中OH自由基在平面內(nèi)的濃度分布。根據(jù)火焰的電離理論,火焰中OH自由基聚居密度較大的區(qū)域通常也是火焰中燃燒化學反應較為劇烈的區(qū)域,體現(xiàn)在ECT圖像中即為灰度值較高的區(qū)域。因此原理上可以將OH-PLIF檢測圖像與ECT的重建圖像進行對照分析,兩者的測量結(jié)果可以相互印證。三、本文還通過計算流體動力學(Computational fluid dynamics,CFD)的方法對燃氣輪機的EV燃燒器進行三維空間的數(shù)值模擬,采用非穩(wěn)態(tài)湍流模型和湍流與化學反應相互作用的渦耗散概念(Eddy dissipation concept,EDC)燃燒模型對層流火焰及湍流火焰進行模擬,計算出實驗條件下甲烷火焰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組分及流場分布情況,并與ECT及OH-PLIF的測量結(jié)果進行對照分析。數(shù)值仿真結(jié)果不僅可以與實驗測量結(jié)果進行良好的對照,還可以補充實驗數(shù)據(jù),分析燃燒反應的其他燃燒過程產(chǎn)物等,為后續(xù)燃燒器的研究提供理論分析基礎。本文在對錐形燃氣輪機旋流環(huán)保型(EV)燃燒器的燃燒特性深入了解的基礎上,采用基于電學的過程層析成像技術(shù)(ECT)實現(xiàn)對火焰內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的可視化檢測,融合了平面激光誘導熒光技術(shù)(PLIF)研究火焰組分,并結(jié)合數(shù)值模擬的方法從多角度對錐形燃燒器的結(jié)構(gòu)及其燃燒狀態(tài)進行分析,為后續(xù)深入研究奠定基礎。
【圖文】：

產(chǎn)生高溫火焰。本生燈因燃燒效率高，產(chǎn)生污染小，自面世以來便逡逑在實驗室中得到了廣泛應用。逡逑本生燈的結(jié)構(gòu)如下圖２－１所示。本生燈通過橡膠喉管與煤氣罐相連。本生逡逑燈的調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)燃氣流量，而空氣調(diào)節(jié)環(huán)通過控制氣孔開閉狀態(tài)可以調(diào)節(jié)逡逑進入燃燒器管道內(nèi)的預混空氣量。使用本生燈前應將其置于防火板上，并關閉逡逑氣孔；之后啟動燃氣調(diào)節(jié)閥，點燃本生燈，這時火焰為橙色，燃燒不充分；再逡逑打開空氣調(diào)節(jié)環(huán)讓新鮮空氣進入，火焰轉(zhuǎn)為藍色，溫度升高。逡逑１５逡逑

由Ｈ然燒過程中反應產(chǎn)物被加熱，使得產(chǎn)物的密度�。赍澹糠磻锏拿芏�，因逡逑此，燃燒產(chǎn)物的速度耍大于未燃氣體的速度，氣流在火焰鋒ｉｆ）丨前后有明顯的加逡逑速。如圖２－２中所標注，未燃燒的Ｍ混合＼休在火焰峰１〖１１的前端，經(jīng)過化學反逡逑應的高溫燃燒產(chǎn)物則位］１？火焰鋒面的后端。穩(wěn)定燃燒后本少燈的火焰如丨：圖２－２逡逑所示。火焰從結(jié)構(gòu)上可以分三層：內(nèi)層火焰溫度約為３００°Ｃ，是Ｈ２０、Ｃ０、逡逑丨１、（：０２和Ｎ、０的混合物，稱為焰心。中層為火焰的反應區(qū)，火焰溫度約逡逑５００°Ｃ，燃氣在此Ｅ域開始燃燒，但是，燃燒＋完全，火焰呈淡藍色，這部分火逡逑焰被稱為還原焰，也叫內(nèi)焰。外層氧氣供給十分充分，燃氣完全燃燒，此處火逡逑焰的溫度最高，〖４達８００？９００°Ｃ，火焰呈淡紫色，，這部分火焰稱為氧化焰，也逡逑稱外焰。根據(jù)前文所述火焰中發(fā)生燃燒反應最劇烈的區(qū)域為快速反應區(qū)，即火逡逑焰中內(nèi)焰與外焰的交界面。逡逑２．１．１．２邋；而流火焰逡逑湍流火焰又稱紊流火焰，與層流火焰相比，火焰的長度縮短，并有明顯的逡逑噪聲
【學位授予單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X773;TK473

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 華國鈞;孫長生;郭為民;丁俊宏;王蕙;;火電廠爐膛進口火焰檢測器運行可靠性分析與改進[J];中國電力;2014年11期

2 張向宇;呂偉;周懷春;劉奕兵;吳啟明;;基于輻射圖像處理的單火嘴三維溫度場測量[J];燃燒科學與技術(shù);2014年02期

3 張虎;李世偉;陳應航;孫廣尉;魏建強;劉亞平;孫鵬飛;;非接觸高溫測量技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀[J];宇航計測技術(shù);2012年05期

4 周云龍;高云鵬;衣得武;任庫;;ECT系統(tǒng)關鍵問題研究進展[J];化工自動化及儀表;2011年05期

5 許宏科;房建武;文常保;;基于亮度與火焰區(qū)域邊緣顏色分布的火焰檢測[J];計算機應用研究;2010年09期

6 陳琪;劉石;;新型ECT傳感器在燃燒檢測中的應用研究[J];工程熱物理學報;2009年11期

7 蔡海潮;徐巧玉;武充沛;;電容層析成像系統(tǒng)中徑向電極的研究[J];儀表技術(shù)與傳感器;2009年11期

8 陳琪;劉石;;電容層析成像對火焰的介電感應機制及實驗驗證[J];中國電機工程學報;2009年26期

9 黃斌;劉練波;許世森;豐鎮(zhèn)平;;燃煤電站CO_2捕集與處理技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J];電力設備;2008年05期

10 張兆田,熊小蕓,楊五強;過程層析成像概述[J];中國體視學與圖像分析;2005年03期

本文編號：2699021