15w大卡热声耦合脉动燃烧加热炉的研制

前言

15w大卡加热炉为油井加热常用设备, 也是油田生产燃料消耗的主要设备。当前, 国内油田用加热炉的设计与改进仍沿用自然通风的负压燃烧方式及大直径、低流速的光滑管对流传热面结构形式, 燃烧与传热过程甚为微弱, 这也是导致常规加热炉热利用率低、耗材高的主要原因。因此, 要改变加热炉能量的转换与传递, 关键在突破传统的燃烧与传热过程, 使燃料能量达到充分释放与有效传递。

脉动燃烧是突破常规稳态燃烧的一种特殊的燃烧过程, 它是在一定声学条件控制下的周期性脉动的燃烧。高强度热声耦合脉动的结果可极大强化混合、传热和传质过程, 从而达到提高热效率, 节省燃料的目的。

一、热声耦合脉动燃烧机理及技术优势

1. 热声耦合脉动燃烧机理

热声耦合脉动燃烧时燃烧器内存在一个高强度驻波声场, 内部压力、流度、燃烧放热率、温度等参数产生周期性变化。周期性的放热自动激发燃烧器内的声脉动, 强烈的声脉动反过来又调制周期性的燃烧放热过程, 高强度热声耦合脉动的结果, 可强化混合传热过程。

2. 技术优势

(1) 在较低过量空气工作条件下达到较高燃烧效率

脉动燃烧器具有强烈的混和作用, 燃料和空气可以充分接触, 只要余气系数略大于1.0, 便可以达到近似于100%的燃烧效率, 燃烧产物中CO含量只有20-50ppm。

(2) 具有极高的燃烧强度

室内试验表明:脉动燃烧器燃烧强度可达5.8x104kw/m3, 而常规稳态燃烧器燃烧强度最大只有840 kw/m3。

(3) 换热效率高

脉动燃烧器内的压力和速度脉动, 可自动提供强烈的对流换热, 常规稳态燃烧器换热强度最高为20KW/m2, 而脉动燃烧器换热强度可超过150KW/m2。

二、主要关键技术

1. 周期性燃烧放热和压力脉动过程

要使一个脉动燃烧器能正常驱动起脉动工作状态, 主要是要保证周期性的燃烧放热的脉动与燃烧器内压力脉动这两个周期函数同相位, 保证特征燃烧时间等于压力脉动周期的一半。

2. 维持燃烧的正常脉动

压力脉动的周期取决于燃烧器的几何参数和燃烧器内的声速, 而声速又决定于燃料输送系统的构造, 以及燃烧器上游所产生的涡流分布。

3. 熄火保护

热声耦合脉动燃烧器是具有声学特性的封闭式燃烧器, 需要有安全可靠的自动控制及熄火保护系统, 才能保证其安全可靠工作。

4. 噪音控制

热声耦合脉动燃烧器中存在着一定模态声场, 压力振幅高达170分贝, 需要采取有效措施进行控制。

三、热声耦合脉动燃烧加热炉设计

1. 加热炉总体结构设计

热声耦合脉动燃烧加热炉由炉壳、热声耦合脉动燃烧器、鼓风机、烟囱、换热油管、自动控制系统、供气系统等几部分组成。加热炉采用水作为传热介质, 对换热油管内介质进行加热。

2. 热声耦合脉动燃烧器设计

燃烧器是热声耦合加热炉的核心部件, 主要用来实现脉动混合燃烧、换热和声学控制功能, 其结构主要包括燃烧室、尾管、去耦室和空气单向进气阀等几部分。

燃烧室设计

燃烧室是燃气和空气充分混合、燃烧和释放热能的场所, 它的容积和长细比直接影响到脉冲的频率和声损失。

生产中常用的燃烧器容热强度在1000-50000 KW/m3之间, 15万大卡脉动燃烧加热炉容热强度为10000 KW/m3 (经验值) , 因此, 可初步估算出燃烧室的容积Vc,

式中:q为容热强度KW/m3;W为功率KW;vc为容积m3。

燃烧室设计为圆筒型, 长细比为3:1, 可计算出燃烧室直径:

式中:Vc为燃烧室容积m3;

尾管设计

脉动燃烧器的尾管是控制燃烧器工作频率的最主要部件, 在保证脉动燃烧器正常工作上起着重要作用。

(1) 尾管直径设计

燃烧器通常的燃气排放平均速度在标态下流速为6-10 m/s, 设计时燃烧室中的燃气排放速度选为8m/s。则尾管总面积为

式中:Q实, 烟为流量m3/s;Vt为流速m/s

若取n根尾管, 每根尾管直径为

(2) 尾管长度设计

燃烧器稳定工作的尾管长度和功率存在如下的经验计算式:

去耦室设计

去耦室的作用在于一是消除燃烧噪声;二是解除热声耦合脉动联系, 以便连接其他部件。

(1) 去耦室长度确定

室内实验表明, 去耦室长度为四分之一波长的奇数倍时, 消声量最大。

当消声量最大时, 去耦室长度满足下列公式:

式中:λ为波长

根据λ=cˉ/f可得: (8)

式中:c为波速m/s

根据工作频率和平均声速可以计算消声量最大时所需的去耦室长度, n=0时, 去耦室长度最小, 即:

(2) 去耦室直径确定

去耦室的性能主要取决于扩张比 (扩张室截面积Aqoi与尾管截面积Ati之比) 与扩张室长度, 当扩张比较大时, 消除噪声值较大。根据扩张比公式

可以得到去耦室内径:

空气单向进气阀设计

空气单向进气阀是一个带有通气孔的圆盘型阀座盘, 距离它一定轴向距离处装有一只带有通气孔的止动盘, 在两盘之间有一个能轴向活动的膜片。

其工作原理是脉动燃烧造成燃烧室内压力脉动, 当燃烧室中的压强大于外界大气压强时, 单向阀的膜片挡住了阀座盘上的阀孔, 关闭空气单向阀;当燃烧室中压强小于大气压强时, 空气推开膜片由膜片和阀座盘之间的间隙进入到燃烧室。

控制及熄火保护系统

脉动燃烧加热炉采用工业PLC炉前控制系统, 该系统主要有三个功能:一是自动点火启动和关机程序控制;二是温控系统, 自动保持出口温度;三是熄火保护功能。

结论

1.脉动燃烧在燃烧机理上不同于常规的燃烧, 是燃烧放热和声学互相激励耦合的化学反应过程。

2.热声耦合脉动可大大提高燃烧掺混和燃气对流换热效果。在热效率、氮氧化物排放和节约钢材等方面具有明显的优势。

摘要：针对传统加热炉存在钢材耗量高、体积大、燃烧效率低等缺点, 研制出以热声耦合脉动燃烧器为核心的15w大卡油田用加热炉, 形成了在声学条件控制下的周期性脉动燃烧, 极大强化了混合、传热和传质过程, 从而达到提高热效率, 节省燃料的目的。

关键词：热声耦合脉动燃烧,加热炉,燃烧效率

参考文献

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