一种等离子体射流超前主动抑制燃烧热声振荡装置及其抑制方法

本发明属于工业燃烧，涉及一种燃烧辅助装置，尤其涉及一种等离子体射流超前主动抑制燃烧热声振荡装置及其抑制方法。

背景技术：

1、工业燃烧器通常采用结构紧凑且负荷调节比高的预混燃烧室，但预混燃烧室内复杂的火焰-声波-流动耦合会导致热声振荡。热声振荡是预混燃烧过程最大的安全隐患，严重影响燃烧设备的安全可靠运行。要保证工业燃烧器在宽范围内稳定工作，对燃烧热声振荡的超前主动控制十分关键。

2、目前已有的热声振荡主动控制系统大多基于压力信号，而压力信号属于间接信号，无法直接体现热声振荡的源项即火焰热释放速率变化。同时，现有热声振荡的主动控制系统大多采用燃料喷射、声波激振等延迟时间较大的方法，虽然能够很好地抑制热声振荡，但也会增加数十甚至上百毫秒的延迟时间。当压力传感器监测到燃烧室内的异常声压信号时，热声振荡已经发生或者即将于数毫秒内完全触发。实际上，燃烧热声振荡还存在迟滞和非线性特征，若极限环状态热声振荡完全形成，则破坏性和控制难度显著增加。

3、此外，常规热声振荡主动控制方法多采用声波激励，不仅控制过程延迟时间长，还往往很难应用于工业实际燃烧场景。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种等离子体射流超前主动抑制燃烧热声振荡装置及其抑制方法，不仅能够实现燃烧热声振荡的抑制，还能够在燃烧热声振荡完全触发并产生共振破坏之前，将热声振荡抑制在初始阶段。

2、为实现上述目的，本发明提供一种等离子体射流超前主动抑制燃烧热声振荡装置，用于控制燃烧器内的火焰，燃烧器包括依次连通的气体预混段、燃烧室和烟气排出通道，具有这样的特征：包括燃烧热声振荡信号超前采集单元和等离子体射流抑制单元；所述燃烧热声振荡信号超前采集单元包括若干光电倍增管；光电倍增管安装在燃烧室的侧壁上，位于火焰的上方，监测火焰热释放速率脉动；所述等离子体射流抑制单元包括等离子体发生器和若干等离子体喷枪；等离子体发生器与若干等离子体喷枪连接，等离子体发生器产生的活性粒子与压缩气体经等离子体喷枪形成等离子体射流；等离子体射流进入燃烧室，与振荡的火焰锋面接触，燃烧热声振荡被抑制。

3、进一步，本发明提供一种等离子体射流超前主动抑制燃烧热声振荡装置，还可以具有这样的特征：其中，装置还包括主动控制器；主动控制器接收光电倍增管采集的数据，并根据采集的数据控制等离子体射流进入燃烧室。

4、进一步，本发明提供一种等离子体射流超前主动抑制燃烧热声振荡装置，还可以具有这样的特征：其中，所述等离子体射流抑制单元还包括气体储罐和气体流量计；气体储罐通过管路与等离子体喷枪连接，提供压缩空气；气体流量计安装在气体储罐与等离子体喷枪之间的管路上。

5、进一步，本发明提供一种等离子体射流超前主动抑制燃烧热声振荡装置，还可以具有这样的特征：其中，装置还包括相位同步器；所述主动控制器与相位同步器连接，相位同步器与等离子体发生器和气体流量计分别连接；主动控制器通过相位同步器控制等离子体发生器和气体流量计形成等离子体射流。

6、进一步，本发明提供一种等离子体射流超前主动抑制燃烧热声振荡装置，还可以具有这样的特征：其中，所述等离子体射流抑制单元还包括探针和示波器；探针测量等离子体射流的电压和电流信号，并由示波器实时监测，传输给相位同步器。

7、进一步，本发明提供一种等离子体射流超前主动抑制燃烧热声振荡装置，还可以具有这样的特征：其中，所述若干光电倍增管沿周向对称布置在燃烧室的侧壁上，组成光电倍增管阵列。

8、进一步，本发明提供一种等离子体射流超前主动抑制燃烧热声振荡装置，还可以具有这样的特征：其中，所述光电倍增管倾斜设置，与火焰锋面法线方向垂直。

9、进一步，本发明提供一种等离子体射流超前主动抑制燃烧热声振荡装置，还可以具有这样的特征：其中，所述等离子体射流抑制单元还包括若干石英玻璃管；石英玻璃管的数量与所述等离子体喷枪的数量相等，并一一对应；石英玻璃管固定在所述燃烧室的侧壁上，一端在燃烧室内，另一端在燃烧室外，与对应的等离子体喷枪连接；等离子体喷枪产生的等离子体射流通过石英玻璃管进入燃烧室。

10、进一步，本发明提供一种等离子体射流超前主动抑制燃烧热声振荡装置，还可以具有这样的特征：其中，所述若干石英玻璃管分为若干组，每组的多个石英玻璃管呈竖向排列，高度与火焰的高度相匹配，若干组石英玻璃管在燃烧室的侧壁上沿周向对称布置。

11、本发明还提供是上述等离子体射流超前主动抑制燃烧热声振荡装置的抑制方法，具有这样的特征：包括以下步骤：s1、来自光电倍增管的火焰热释放速率脉动的时间序列信号，进入主动控制器；s2、主动控制器对所采集的时间序列信号进行快速傅里叶分析，获得火焰振荡的幅值和频率；s3、主动控制器判断火焰振荡是否达到热声振荡激发的阈值；如未达到阈值，主动控制器不产生抑制动作的电压信号；如达到阈值，主动控制器则进一步分析火焰振荡的幅值和频率，并依此产生模拟量电压信号，控制等离子体发生器产生活性粒子，与压缩气体通过等离子体喷枪产生等离子体射流，然后重复s1-s3。

12、本发明的有益效果在于：

13、本发明能够超前感知燃烧热声振荡的触发：本发明中，通过光电倍增管阵列来测量火焰热释放速率脉动，在燃烧热声振荡完全触发前的过渡区时间窗口内，火焰热释放速率的大幅脉动会比压力波动提前数十毫秒出现，从而依据火焰热释放速率信号可以超前感知热声振荡的触发，从而为热声振荡的超前防治提供了前提条件。

14、本发明能够超前主动抑制燃烧热声振荡：热声振荡主动控制系统通常由传感器、控制器和执行器构成，在超前感知热声振荡触发的基础上，如何缩短整体延迟时间并高效地抑制热声振荡，是解决热声振荡超前防治问题的关键。本发明中，等离子体射流可以直接作用于火焰锋面，属于直接燃烧反应调控。与传统主动控制方法相比，等离子体射流主动控制是电激励，具有响应快(<0.1ms)、频带宽(0～100khz)等显著优势，因此，本发明能够实现燃烧热声振荡的超前抑制。

15、本发明能够应用于实际工业燃烧器的热声振荡抑制场景：本发明具有良好的灵活性和鲁棒性，在无需改变燃烧器几何结构的情况下，通过等离子体射流主动控制系统，就能够很好的测量并控制燃烧热声振荡，能够用于燃气轮机、工业锅炉、火箭、内燃机等燃烧设备。

16、本发明具有较高的测量精度：本发明中，采用阵列式光电倍增管垂直于火焰锋面的方法，拍摄火焰热释放速率脉动，与传统的单点测量方式相比，显著减少了测量误差；与此同时，阵列式光电倍增管测量方式能够很好地捕捉火焰热释放速率的时空脉动情况，及时有效地反映出燃烧热声振荡情况。

17、本发明具有较高的控制精度：使用单一等离子体射流激励方式会带来电离强度弱、体羽截面小等问题，若采用等离子体射流阵列激励方式，可以提高处理面积和控制效率，从而能够更加精准、高效地抑制热声振荡。本发明中，采用多束纳秒脉冲等离子体射流抑制火焰燃烧热声振荡，直接改变火焰内外回流区的结构以及局部火焰热释放速率脉动分布情况，从而精准破坏原有热声耦合过程，实现燃烧热声振荡的超前抑制。