Содержание к диссертации
Стр.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ . 6
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГТУ С МАЛОТОКСИЧНОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ 11
1Л Характеристики вредных воздействий продуктов сгорания 11
Способы уменьшения вредных выбросов за камерой сгорания 13
Проблемы, связанные с использованием гомогенного пламени ....15
Задачи системы управления по регулированию малотоксичной камерой 17
Выводы по главе 19
ГЛАВА 2. ОПЫТ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК С МАЛОТОКСИЧНОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ ЗАРУБЕЖНЫХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ 21
Опыт разработки и создания системы управления малотоксичной камерой сгорания LM6000 фирмой General Electric 21
Опыт разработки системы управления малотоксичной камерой сгорания FT8-2 фирмой Pratt&Whitney 32
Опыт создания и разработки малотоксичной системы RB211 * фирмой Rolls-Royce 38
Выводы по главе 40
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ВИБРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ 43
-33.1 Анализ существующих моделей вибрационного горения 43
Структура и синтез упрощенной модели 44
Жаровая труба малотоксичной камеры сгорания в роли резонатора колебательной системы 48
Подвод энергии в колебательную систему 57
Механизмы обратной связи 61
Нелинейность, связанная с нарушением горения при развитии амплитуды колебаний 74
Выводы по главе 76
ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВИБРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ 78
Аналитическое моделирование 78
Численное моделирование вибрационного горения 81
Выводы по главе 84
ГЛАВА 5. СИСТЕМА АКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ МАЛОТОКСИЧНОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ 86
Система активного контроля вибрационного горения 86
Система защиты камеры от бедного срыва 102
Система активного контроля вибрационного горения в составе САУ ГТУ с малотоксичной камерой сгорания 108
Выводы по главе 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 119
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
А - амплитуда; а - скорость звука, м/с; С - динамическая емкость, м*с ; Е - энергия, Дж; f- частота, Гц;
в - часовой расход, кг/ч, консервативная энергия, Дж; Ни - низшая удельная теплота сгорания топлива, Дж/кг; Ь - динамическая инерционность, 1/м, длина, м; 1 - длина, м;
М - число маха, массовый расход, кг/с; п - частота вращения, об/мин; Ые - мощность, МВт; р - режим, давление, Па;
Р* - механическая энергия единицы массы, Дж/кг;
С) - количество тепла, подведенного к 1 кг рабочего тела, Дж/кг;
8 - площадь поперечного сечения, м2;
б - энтропия, Дж/(кг*К).
Т - температура, К;
и - средняя скорость потока, м/с;
V - скорость течения, м/с;
х - относительная длина;
У - поток механической энергии, Дж/с;
ъ - акустический импеданс; Па*с/м ;
- безразмерная длина; т - время, с; у - вязкость, Па*с; Р - комплексная частота; X - коэффициент адиабаты; а - коэффициент избытка воздуха;
р - плотность, кг/м ; Ф - фазовый угол, рад.; со - частота, рад/с;
г|г - коэффициент полноты сгорания;
ИНДЕКСЫ
бок - боковой факел; в - воздух; г —газ;
гг - газогенератор;
д - дежурный факел;
к - сечение за компрессором;
к.с - камера сгорания;
кф - сечение конца фронта;
нф - сечение начала фронта;
осн — основной факел;
пил - пилотный факел;
с.а - сопловой аппарат турбины;
ст - силовая турбина;
т - топливо;
уст - уставка;
с - динамическая емкость;
L - динамическая инерционность, сечение за камерой сгорания; р - давление;
СОКРАЩЕНИЯ
ГТУ - газотурбинная установка;
ЛЭ - линейный элемент;
МКС - малотоксичная камера сгорания;
НЭ - нелинейный элемент;
ОС - обратная связь;
ПОС - положительная обратная связь;
САУ - система автоматического управления;
ABAL - Acoustic Blowout Avoidance Logic (система контроля устойчивости пламени);
DLE - dry low emission (малотоксичная технология);
GE - General Electric;
P&W - Pratt& Whitney;
pph - path per hundred (процент);
ppm - path per million (миллионная доля);
psi - pound on square inch (фунт на квадратный дюйм);
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. К важнейшим показателям современных газотурбинных установок (ГТУ), использующихся в энергетике и на газоперекачивающих компрессорных станциях, относятся экологические характеристики. Для достижения успехов в конкурентной борьбе с другими фирмами производителями, требуется ужесточение норм на вредные выбросы (эмиссию) оксидов азота Nox и окиси углерода СО. Поэтому актуальной является разработка систем управления процессом горения в экологически "чистых" камерах сгорания.
Создание такой камеры сгорания представляет собой сложную научно-техническую проблему, успешное решение которой может быть достигнуто только с помощью применения новых технологий организации рабочего процесса в камерах сгорания современных ГТУ. К таким технологиям относится организация горения предварительно перемешанных "бедных" топлив- но-воздушных смесей.
При сжигании бедных гомогенных смесей при температурах газа 1400.. .1500С возможно минимальное образование оксидов азота. Основная задача состоит в реализации этой потенциальной возможности в конкретных конструкциях камер сгорания перспективных ГТУ.
Стендовые исследования многочисленных вариантов камер сгорания с организацией сжигания бедных гомогенных смесей показали, что в этих условиях получить низкий уровень концентраций вредных выбросов можно только в узком диапазоне изменения параметров камеры. Эта область с низкой эмиссией, с одной стороны ограничивается коэффициентом избытка воздуха гомогенной смеси и расходом природного газа на дежурный факел, с другой - наблюдающейся практически для всех вариантов неустойчивостью процесса горения бедной гомогенной смеси (вибрационным горением).
Ограничение по коэффициенту избытка воздуха связано с тем, что в камерах сгорания с предварительным смешением топлива и воздуха поток горючей смеси движется с высокими скоростями (порядка 100 м/сек), во много раз превышающими скорость распространения пламени в ламинарном потоке. В этих условиях пламя стабилизируется с помощью так называемого "дежурного" факела (горелки). При увеличении коэффициента избытка воздуха уменьшается теплота, подводимая в зону теплоподвода. При некотором постоянном значении расхода топлива в дежурном факеле, при увеличении коэффициента избытка воздуха до предельно высокого значения происходит бедный срыв пламени. То есть пламя основного факела сносится по потоку. Поэтому возникает необходимость в активном контроле бедного срыва.
При некоторых условиях гомогенное горение может привести к возникновению значительных колебаний давления (вибрационного горения), высокий уровень которого недопустим т.к. может привести к поломке камеры сгорания. Активный контроль устойчивости процесса горения представляет довольно сложную задачу как в плане разработки математической модели вибрационного горения, так и в плане разработки алгоритмов управления.
Вибрационное горение является нестационарным нелинейным процессом. Для описания процесса нестабильного горения в настоящее время существуют модели с распределенными и сосредоточенными параметрами. В основу моделей с распределенными параметрами положена система дифференциальных уравнений с частными производными (например, система уравнений Навье-Стокса). Такие модели несмотря на большие вычислительные затраты показали свою неспособность отразить важные аспекты явления вибрационного горения. Модели с сосредоточенными параметрами описываются более простыми системами обыкновенных дифференциальных уравнений либо передаточными функциями второго порядка и выше. Такие модели адекватно описывают динамику только до потери устойчивости газового потока в камере сгорания. Существующие модели с сосредоточенными параметрами в основном описывают акустику камеры сгорания, в полной мере не отражая взаимодействия колебаний давления с процессом горения.
В настоящее время анализ устойчивости сложных нелинейных объектов проводится при помощи теории бифуркаций. Теория бифуркаций рассматривает системы, описываемые обыкновенными дифференциальными уравнениями с нелинейными коэффициентами, и позволяет прогнозировать поведение системы до и после потери устойчивости. Поэтому возникает необходимость формализации модели вибрационного горения в виде удобном для анализа средствами теории бифуркаций.
Система управления газотурбинной установкой включает в себя регулирование целого спектра параметров. Одна из основных проблем состоит в статической и динамической связности регуляторов параметров установки. Введение малотоксичной камеры сгорания еще более усложняет проблему связности, поэтому при синтезе системы управления необходимо свести до минимума связность контуров регулирования.
Важным принципом при проектировании систем управления является принцип наследственности систем. То есть новая система создается на основе уже существующей системы. Построение систем по принципу наследственности позволяет значительно снизить затраты средств и времени на проектирование, доводку и эксплуатацию новой системы. Поэтому целесообразнее создавать систему управления двигателя с малотоксичной камерой сгорания на основе серийной системы управления газотурбинной установкой.
Цель диссертационной работы.
Целью работы является разработка системы управления процессом горения в малотоксичных камерах сгорания наземных силовых газотурбинных установок.
Основные задачи диссертационной работы, определяемые поставленной целью, состоят в следующем:
Разработать модель вибрационного горения.
Провести аналитическое и численное моделирование нестабильно-
стей.
Создать алгоритмы активного контроля вибрационного горения и бедного срыва.
Разработать систему управления малотоксичной камерой сгорания.
Интегрировать систему управления малотоксичной камерой сгорания в САУ ГТУ.
Объектом исследования является малотоксичная камера сгорания особенностью которой является гомогенная форсунка (премиксер), работающая на расчетном режиме мощности, центральная диффузионная форсунка, необходимая для поддержания устойчивости гомогенного факела, боковая диффузионная форсунка, работающая на малых режимах мощности.
Методы исследований базируются на использовании элементов математического аппарата дифференциального исчисления, методов аналитического и численного моделирования, математического программирования, теории колебаний нелинейных систем, теории бифуркаций.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана и исследована нелинейная модель нестабильности горения на основе использования математического аппарата теории колебаний нелинейных систем, теории бифуркаций. Особенностью модели является нелинейность, связанная с нарушением горения при развитии вибрационного горения и нелинейность вихреобразования.
Произведена оценка влияния управляющих и возмущающих воздействий на устойчивость горения. В качестве основного регулирующего органа обосновано применение центрального диффузионного факела.
Предложена и обоснована система управления малотоксичной камерой сгорания, включающей в себя активный контроль вибрационного горения, бедного срыва, регулирование локальной температуры пламени.
Предложена интеграция системы управления малотоксичной камеры сгорания в систему управления ГТУ по каскадной схеме.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждена корректным обоснованием и анализом математической модели вибрационного горения и методов синтеза алгоритмов управления, теоретических результатов и выводов, а также данными математического моделирования и экспериментальных исследований малотоксичной камеры сгорания.
Теоретическая значимость работы заключается в следующем:
обобщен и проанализирован материал опыта создания систем управления малотоксичными камерами сгорания;
разработана нелинейная модель вибрационного горения, в которой учитывается влияние растянутой организации горения, влияние вихреобразования, нарушение процесса горения с развитием амплитуды колебаний;
произведен анализ модели вибрационного горения с применением математического аппарата теории бифуркаций;
произведено численное моделирование процесса вибрационного горения при различных управляющих и возмущающих воздействиях;
по результатам численного и аналитического моделирования обосновано применение в качестве основного регулирующего органа центрального диффузионного факела;
предложены алгоритмы и процедуры активного контроля стабильности процесса горения;
предложена структура системы управления ГТУ с малотоксичной камерой сгорания, объединяющей регулирование основных параметров, регулирование температуры пламени и контроль устойчивости пламени.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
работа выполнялась в соответствии с программой внедрения малотоксичной технологии в газотурбинный двигатель ПС-90;
результаты работы приняты к использованию при разработке проектов наземных газотурбинных двигателей с малотоксичными камерами в ОАО «Авиадвигатель»;
алгоритмы и процедуры активного контроля стабильности процесса горения, предложенные в работе, позволяют объединить в САУ ГТУ с малотоксичной камерой сгорания регулирование основных параметров, регулирование температуры пламени и контроль устойчивости пламени;
основные положения диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 210100 «Управление и информатика в технических системах».
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на ХЬУП научной сессии по газовым турбинам, РАН (ОАО «Авиадвигатель», Пермь, 2000), и всероссийской конференции по проблемам исследований и разработок по созданию силовых энергетических установок (ЦИАМ, Москва, 2000).
На защиту автором выносятся следующие научные результаты:
математическая модель вибрационного горения;
алгоритмы активного контроля вибрационного горения;
алгоритмы защиты камеры от бедного срыва;
система активного контроля устойчивости горения в составе САУ ГТУ с малотоксичной камерой сгорания, включающей в себя контуры температуры пламени, вибрационного горения, бедного срыва, перераспределения топлива.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано пять печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 123 страницах машинописного текста, иллюстрируется 50 рисунками, 3 таблицами и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 64 наименований.
