Управление нестационарным нелинейным процессом горения в малотоксичных камерах сгорания наземных силовых газотурбинных установок

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. .1500°С 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:

1. Разработать модель вибрационного горения.

2. Провести аналитическое и численное моделирование нестабильностей.

3. Создать алгоритмы активного контроля вибрационного горения и бедного срыва.

4. Разработать систему управления малотоксичной камерой сгорания.

5. 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.

2. Произведена оценка влияния управляющих и возмущающих воздействий на устойчивость горения. В качестве основного регулирующего органа обосновано применение центрального диффузионного факела.

3. Предложена и обоснована система управления малотоксичной камерой сгорания, включающей в себя активный контроль вибрационного горения, бедного срыва, регулирование локальной температуры пламени.

4. 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 210 100 «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.

5.4 Выводы по главе.

В главе рассмотрены алгоритмы системы управления малотоксичной камерой сгорания газотурбинной установкой. По изложенным материалам можно сделать следующие выводы:

1. Выбрана «грубая» система управления устойчивостью горения, при которой устойчивость обеспечивается за счет регулирования подвода энергии в колебательную систему, а не амплитудно-фазовых соотношений ввиду высокой частоты вибрационного горения.

2. Основным органом, регулирующим поступление неколебатёльной энергии в систему, выбран пилотный факел.

3. Границы устойчивости определяются по измеряемым параметрам камеры — температуры на входе и на выходе камеры сгорания.

4. Предложена подсистема контроля виброгорения, которая предназначена для управления параметрами системы на статических и переходных режимах, подавления вибрационного горения в случае его возникновения, предотвращения виброгорения при признаках его возникновения.

5. Предложена подсистема активного контроля бедного срыва, задача которой состоит в управлении стабилизирующим факелом. Управление обеспечивает защиту процесса горения от бедного срыва.

6. Решить проблему независимого регулирования основных параметров ГТУ и регулирования малотоксичной камерой сгорания, без связности нарушающей нормальную работу, позволяет предложенная в главе каскадная схема. В каскадной схеме все контуры разделены на внешний контур управления основными параметрами ГТУ и внутренний контур управления малотоксичной камерой сгорания.

7. Предложено сохранить во внешнем контуре стандартную схему селекции сигналов контуров основных регулируемых параметров.

8. Предложен внутренний контур регулирования малотоксичной камерой сгорания. Этот контур отрабатывает сигнал рассогласования общего расхода топлива и перераспределяет топливо, обеспечивая устойчивый процесс горения и малую эмиссию.

— 1169. Предложен контур регулирования локальной температурой пламени, который управляет температурой пламени в камере на средних режимах мощности. Предложено два основных алгоритма, по которым достигается либо более низкий уровень эмиссии, либо высокий КПД двигателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения диссертационной работы:

1. Установлено, что для уменьшения эмиссии вредных веществ надо использовать камеру сгорания с организацией сжигания «бедной» топливно-воздушной смеси. В условиях применения малотоксичной камеры сгорания 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).

2. Разработана модель вибрационного горения, позволяющая учесть особенности акустики камеры сгорания и ее взаимодействия с подводом тепла. Вихреобразование за зоной стабилизации пламени или в холодной части течения способно подстраиваться к акустическим колебаниям, образуя тем самым механизм обратной связи. Поэтому в модель введена нелинейность, связанная с вихреобразованием. В модель введена нелинейность, связанная с нарушением процесса горения при увеличении амплитуды колебаний скорости до значения средней скорости потока. В модели отражается влияние на устойчивость пламени центрального диффузионного факела, который увеличивает протяженность фронта пламени, тем самым, улучшая устойчивость горения. По результатам оценки влияния растянутой организации горения показано, что регулирование расхода топлива в диффузионной зоне горения служит инструментом активного контроля стабильности пламени.

3. В работе проводится аналитическое решение и численное моделирование системы дифференциальных уравнений формализующих модель вибрационного горения. Аналитическое решение было выполнено с использованием математического аппарата теории бифуркаций. Численное моделирование было проведено при помощи пакета 81МЦЫ]ч1К системы МАТЬАВ. В результате аналитического решения были определены области устойчивости процесса горения. Результаты численного моделирования отражают влияние на устойчивость горения управляющих воздействий и возмущений.

4. По результатам анализа модели вибрационного горения были предложены алгоритмы системы управления малотоксичной камерой сгорания газотурбинной установки. Предложена подсистема контроля вибрационного.

— 118горения, которая предназначена для управления параметрами системы на статических и переходных режимах, подавления вибрационного горения в случае его возникновения, предотвращения вибрационного горения при признаках его возникновения. Предложена подсистема активного контроля бедного срыва, задача которой состоит в управлении стабилизирующим факелом. Управление обеспечивает защиту процесса горения от бедного срыва.

5. Проблему независимого регулирования основных параметров ГТУ и регулирования малотоксичной камерой сгорания, без связности нарушающей нормальную работу, предложено решить при помощи каскадной схемы. В каскадной схеме все контуры разделены на внешний контур управления основными параметрами ГТУ и внутренний контур управления малотоксичной камерой сгорания. Внутренний контур отрабатывает сигнал рассогласования общего расхода топлива и перераспределяет топливо, обеспечивая устойчивый процесс горения и малую эмиссию.

6. 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. Результаты работы приняты к использованию при разработке проектов наземных газотурбинных установок в ОАО «Авиадвигатель» по программе внедрения малотоксичной технологии в газотурбинный двигатель ПС-90.