电加热稳燃装置、方法及存储介质

1.本技术涉及燃气轮机燃烧室及航空发动机加力燃烧室稳定燃烧技术领域，特别涉及一种电加热稳燃装置、方法及存储介质。


背景技术：

2.相关技术主要分为被动控制和主动控制两类。其中，1、被动控制主要包括在燃料出口加钝体产生回流区稳燃、在燃烧室内增加消声部件吸收声能以及改变配风方式优化燃料和空气的流动这三类。钝体稳燃是燃气轮机燃烧室和航空发动机加力燃烧室的常见方式。2、主动控制是指通过改变燃烧系统的某些参数，破坏火焰放热率脉动和压力脉动的耦合，主要包括3类：(1)通过外加扬声器产生可以抵消现有压力脉动的压力脉动；(2)改变燃料流量，调节湍流脉动破坏耦合；(3)增加氢气等燃料二次燃料射流，用小火舌的放热破坏耦合。因此，主动控制涉及燃烧学、流体力学、声学、控制学等学科，交叉性强，使得主动控制理论复杂。
3.然而，相关技术存在如下缺陷：
4.(1)在被动控制放中，钝体稳燃的缺陷是可以较好地解决吹熄的问题，但无法改善振荡燃烧问题，且增设钝体会导致航空发动机加力燃烧室重量增加，降低发动机推重比。增加消声部件和改变配风方式的缺陷在于只针对特定燃烧室起作用，对不同结构燃烧室需要重新研发设计，开发周期长、开发费用昂贵，且对于低频振荡燃烧控制效果较差。
5.(2)在主动控制中，最显著的弊端是主动控制算法复杂，维护困难。具体来讲，外加扬声器的缺陷在于需要考虑特定燃烧器结构，缺乏通用性。改变燃料流量和增加二次燃料射流的缺陷在于它们本身就会引入燃料不稳定因素，因此需要更加复杂的理论和更加精细的控制对技术的支撑，成本较高。


技术实现要素：

6.本技术提供一种电加热稳燃装置、方法及计算机可读存储介质，可以在无需大幅改变燃烧室主体结构的基础上，对不稳定燃烧现象实现主动控制，有效解决燃气轮机燃烧室和航空发动机加力燃烧室中的不稳定燃烧问题。
7.本技术第一方面实施例提供一种电加热稳燃装置，包括：至少一个加热器，用于加热目标燃烧室；检测器，用于采集所述目标燃烧室内的实际压力脉动振幅；控制器，用于在所述实际压力脉动振幅大于预设实际压力脉动振幅时，控制所述至少一个加热器的实际加热功率增大或降低至目标加热功率，使得所述目标燃烧室内的实际压力脉动振幅小于或等于所述预设实际压力脉动振幅。
8.在本技术实施例中，还包括：采集器，用于采集所述至少一个加热器的实际温度；所述控制器进一步用于据所述实际压力脉动振幅匹配所述至少一个加热器的目标加热温度，并根据所述实际温度和所述目标加热温度计算所述目标加热功率，基于所述目标加热功率控制所述至少一个加热器加热所述目标燃烧室，直到所述至少一个加热器的实际温度
达到所述目标加热温度，并使得所述目标燃烧室内的实际压力脉动振幅小于或等于所述预设实际压力脉动振幅。
9.在本技术实施例中，还包括：电压调节器，用于根据所述目标加热功率增大或降低所述至少一个电加热器的实际输入电压，使得所述至少一个电加热器的实际功率增大或降低至所述目标加热功率。
10.在本技术实施例中，所述至少一个加热器中的每个加热器均设置于所述目标燃烧室的对应目标位置处。
11.在本技术实施例中，所述至少一个加热器中的每个加热器的材料包括硅碳棒、陶瓷和钨中的一种或多种。
12.本技术第二方面实施例提供一种电加热稳燃装置的控制方法，包括以下步骤：采集目标燃烧室内的实际压力脉动振幅；在所述实际压力脉动振幅大于预设实际压力脉动振幅时，控制所述至少一个加热器的实际加热功率增大或降低至目标加热功率，使得所述目标燃烧室内的实际压力脉动振幅小于或等于所述预设实际压力脉动振幅。
13.在本技术实施例中，所述控制所述至少一个加热器的实际加热功率增大或降低至目标加热功率，使得所述目标燃烧室内的实际压力脉动振幅小于或等于所述预设实际压力脉动振幅，包括：采集所述至少一个加热器的实际温度；据所述实际压力脉动振幅匹配所述至少一个加热器的目标加热温度；根据所述实际温度和所述目标加热温度计算所述目标加热功率，基于所述目标加热功率控制所述至少一个加热器加热所述目标燃烧室，直到所述至少一个加热器的实际温度达到所述目标加热温度，并使得所述目标燃烧室内的实际压力脉动振幅小于或等于所述预设实际压力脉动振幅。
14.在本技术实施例中，所述基于所述目标加热功率控制所述至少一个加热器加热所述目标燃烧室，包括：根据所述目标加热功率增大或降低所述至少一个电加热器的实际输入电压，使得所述至少一个电加热器的实际功率增大或降低至所述目标加热功率，以加热所述目标燃烧室。
15.本技术第三方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现如上述实施例所述的电加热稳燃装置的控制方法。
16.由此，本技术至少具有如下有益效果：
17.原理简单，当检测到燃烧不稳定发生时，给加热棒通电使其成为局部热源，防止吹熄和振荡燃烧的发生，不需要复杂的主动控制算法；适用性广，从改善燃烧化学反应动力学入手稳定燃烧，不受燃烧室结构、燃料种类等因素限制。
18.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
19.本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
20.图1为根据本技术实施例提供的电加热稳燃装置的方框示意图；
21.图2为根据本技术实施例提供的电加热稳燃系统的结构示意图；
22.图3为根据本技术实施例提供的电加热燃稳装置的控制方法的流程图。
23.附图标记说明：
24.加热器1、检测器2、控制器3、直流电源4、采集器5、电压调节器6、电加热稳燃装置100。
具体实施方式
25.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
26.本技术实施例属于燃气轮机燃烧室及航空发动机加力燃烧室稳定燃烧技术领域的一种基于电加热的稳燃方案，燃气轮机作为一种高效清洁的动力装置，在电力、航空、舰船等领域的动力系统中扮演着越来越重要的角色。
27.自燃气轮机出现以来，发展先进的燃烧技术一直是燃气轮机技术发展的核心部分。先进的燃烧技术要求燃烧效率高、点火可靠、火焰稳定性高和污染物排放低等特性。随着国际社会对污染物排放的标准越来越严格，降低氮氧化物(no
x
)、一氧化碳(co)等污染物的排放是燃烧技术的发展方向，其中降低no
x
排放是重点也是难点。
28.目前降低no
x
排放的技术主要有燃烧室注入蒸汽、贫燃料预混、富燃-淬熄-贫燃、分级燃烧和催化燃烧等技术。现代燃气轮机多采用贫燃料预混燃烧技术，通过将燃料与过量空气预混，降低了火焰温度峰值，显著减少了热力型no
x
。但由于燃烧偏离理论空气量，燃烧过程化学动力学不稳定，容易产生吹熄、振荡燃烧等燃烧不稳定现象。其中，吹熄主要由贫燃状态下火焰温度过低或火焰燃烧速率小于燃气供给速度造成的。振荡燃烧是由于火焰放热率脉动和压力脉动耦合，产生更高强度的压力脉动。此外，航空发动机加力燃烧室能量密度高，燃料流量脉动、湍流燃烧脉动等因素诱发的振荡燃烧也有巨大危害。
29.这种现象会导致燃烧装置乃至整个系统剧烈振动，发出巨大的噪声，热负荷增高，加剧污染物的产生，影响燃烧室和系统的正常工作，严重时还会造成系统部件损伤和破坏。
30.为此，本技术实施例提出一种基于电加热的稳燃方案，可在不大幅改变燃烧室主体结构的基础上，对不稳定燃烧现象实现主动控制，下面将参考附图进行描述。
31.如图1所示，该电加热稳燃装置100包括：至少一个加热器1、检测器2和控制器3。
32.其中，至少一个加热器1用于加热目标燃烧室；检测器2用于采集目标燃烧室内的实际压力脉动振幅；控制器3用于在实际压力脉动振幅大于预设实际压力脉动振幅时，控制至少一个加热器的实际加热功率增大或降低至目标加热功率，使得目标燃烧室内的实际压力脉动振幅小于或等于预设实际压力脉动振幅。
33.其中，预设实际压力振幅和目标加热功率均可以根据实际稳燃需求设置或设定，不作具体限定。
34.可以理解的是，本技术实施例可以基于电加热的稳燃技术，通过监测燃烧室内压力脉动，调节加热器加热功率，利用电加热棒提供局部热源稳定燃烧，可在不大幅改变燃烧室主体结构的基础上，对不稳定燃烧现象实现主动控制，以解决燃气轮机燃烧室和航空发动机加力燃烧室中的不稳定燃烧问题。
35.在本技术实施例中，加热器1可以为电加热棒，加热器1可以插入燃烧室中任何可能出现燃烧不稳定的位置或者位置附近，例如插入设置于燃烧室火焰根部等目标位置处；
加热器1的数量和形状可以根据燃烧室特点布置多根或改变形状；加热器1的材料包括硅碳棒、陶瓷、钨中的一种或多种；加热器1的表面温度可被加热至期望温度，温度范围在800℃～1600℃区间；电加热棒1的直径范围为1mm～10cm。
36.以电加热棒为例，本技术实施例可以基于电加热的稳燃技术，通过将一根或多根细电加热棒放置在燃烧室火焰根部，从而当检测到燃烧不稳定发生时，给加热棒通电使其成为局部热源，降低燃烧过程的化学动力学不稳定性，防止吹熄和振荡燃烧的发生。其中，吹熄：主要由贫燃状态下火焰温度过低或火焰燃烧速率小于燃气供给速度造成燃烧无法持续；振荡燃烧：是由于火焰放热率脉动和压力脉动耦合，产生更高强度的压力脉动，对燃气轮机安全稳定运行产生危害。
37.在本技术实施例中，如图2所示，检测器2可以为动态压力传感器测压端位于燃烧室内；动态压力传感器通过信号线与控制器3连接。
38.在本技术实施例中，如图2所示，控制器3可以为控温系统，控制器3包括两个输入端和两个输出端，控制器3的输入端之一通过信号线与检测器2连接，控制器3的输出端之一通过信号线与直流电源4连接。
39.在本技术实施例中，本技术实施例的装置100还包括：采集器5。
40.其中，采集器5用于采集至少一个加热器1的实际温度；控制器3进一步用于据实际压力脉动振幅匹配至少一个加热器的目标加热温度，并根据实际温度和目标加热温度计算目标加热功率，基于目标加热功率控制至少一个加热器加热目标燃烧室，直到至少一个加热器的实际温度达到目标加热温度，并使得目标燃烧室内的实际压力脉动振幅小于或等于预设实际压力脉动振幅。
41.其中，采集器5可以为热电偶等，采集器5测温点与加热器1表面接触；采集器5通过信号线与控制器3的输入端之二连接。
42.可以理解的是，如图2所示，本技术实施例可以通过检测器2监测到燃烧室的压力脉动振幅超过预设实际压力振幅，例如稳态压力0.4％以上时，将启动直流电源；控制器3根据压力脉动振幅大小设置电加热棒1的目标加热温度t0；控制器3根据检测器反馈的温度控制加热器1的加热功率，直到加热器1达到目标温度t0。
43.在本技术实施例中，如图2所示，本技术实施例的装置100还包括：电压调节器6。
44.其中，电压调节器6用于根据目标加热功率增大或降低至少一个电加热器1的实际输入电压，使得至少一个电加热器1的实际功率增大或降低至目标加热功率。
45.可以理解的是，电压调节器6的电压输入通过电源线与直流电源4连接；电压调节器6的电压输出通过电源线与电加热器1连接；电压调节器6的信号输入通过信号线与控制器3的输出端之二连接。
46.根据本技术实施例提出的电加热稳燃装置，原理简单，当检测到燃烧不稳定发生时，给加热棒通电使其成为局部热源，防止吹熄和振荡燃烧的发生，不需要复杂的主动控制算法；适用性广，从改善燃烧化学反应动力学入手稳定燃烧，不受燃烧室结构、燃料种类等因素限制。
47.其次参照附图描述根据本技术实施例提出的电加热稳燃装置的控制方法。
48.图3是本技术实施例的电加热稳燃装置的控制方法的流程示意图。
49.如图3所示，该电加热稳燃装置的控制方法以下步骤：
50.在步骤s101中，采集目标燃烧室内的实际压力脉动振幅。
51.在步骤s102中，在实际压力脉动振幅大于预设实际压力脉动振幅时，控制至少一个加热器的实际加热功率增大或降低至目标加热功率，使得目标燃烧室内的实际压力脉动振幅小于或等于预设实际压力脉动振幅。
52.在本技术实施例中，控制至少一个加热器的实际加热功率增大或降低至目标加热功率，使得目标燃烧室内的实际压力脉动振幅小于或等于预设实际压力脉动振幅，包括：采集至少一个加热器的实际温度；据实际压力脉动振幅匹配至少一个加热器的目标加热温度；根据实际温度和目标加热温度计算目标加热功率，基于目标加热功率控制至少一个加热器加热目标燃烧室，直到至少一个加热器的实际温度达到目标加热温度，并使得目标燃烧室内的实际压力脉动振幅小于或等于预设实际压力脉动振幅。
53.在本技术实施例中，基于目标加热功率控制至少一个加热器加热目标燃烧室，包括：根据目标加热功率增大或降低至少一个电加热器的实际输入电压，使得至少一个电加热器的实际功率增大或降低至目标加热功率，以加热目标燃烧室。
54.需要说明的是，前述对电加热稳燃装置实施例的解释说明也适用于该实施例的电加热稳燃装置的控制方法，此处不再赘述。
55.根据本技术实施例提出的电加热稳燃装置的控制方法，原理简单，当检测到燃烧不稳定发生时，给加热棒通电使其成为局部热源，防止吹熄和振荡燃烧的发生，不需要复杂的主动控制算法；适用性广，从改善燃烧化学反应动力学入手稳定燃烧，不受燃烧室结构、燃料种类等因素限制。
56.本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例的电加热稳燃装置的控制方法。
57.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或n个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
58.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“n个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
59.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更n个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
60.应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，n个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件
或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列，现场可编程门阵列等。
61.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
62.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。