一種天然氣火炬式點(diǎn)火器及其補(bǔ)氧助燃分析

王寶瑞，王 巖，郭定坤，艾育華，趙瑋杰，于宗明，王 岳

(1.中國(guó)科學(xué)院輕型動(dòng)力創(chuàng)新研究院,北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)能源動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(工程熱物理研究所)，北京 100190；3.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火的穩(wěn)定性是影響燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的重要因素，點(diǎn)火不成功會(huì)導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)流通部件內(nèi)發(fā)生燃料累積，可能會(huì)出現(xiàn)爆燃或者渦輪及其他部件內(nèi)著火等問(wèn)題，從而降低燃?xì)廨啓C(jī)的安全性和可靠性[1-2]。

火炬式點(diǎn)火器相當(dāng)于一個(gè)微型的燃燒器，一般由電嘴點(diǎn)燃小流量的燃料，產(chǎn)生穩(wěn)定的高溫燃?xì)饣鹁妫苫鹁纥c(diǎn)燃主燃燒室的燃料，具有點(diǎn)火能量大、可靠性高、快速啟動(dòng)的特點(diǎn)，在燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了廣泛使用[3-5]。本文的某航改燃?xì)廨啓C(jī)采用了火炬式點(diǎn)火器，使用天然氣作為點(diǎn)火燃料。為了提高點(diǎn)火穩(wěn)定性，該點(diǎn)火器使用了等離子體電嘴代替普通電嘴，等離子體技術(shù)使可燃混合物溫度升高到著火點(diǎn)以上，并產(chǎn)生大量活性粒子來(lái)改善燃料的燃燒特性，從而提高點(diǎn)火器的可靠性和燃燒穩(wěn)定性[6-7]，但是等離子體電嘴產(chǎn)生的射流與燃料和空氣流場(chǎng)存在流場(chǎng)匹配性問(wèn)題[8]。另外點(diǎn)火器內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響點(diǎn)火性能，良好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)使燃料分布更加均勻，拓寬點(diǎn)火極限。補(bǔ)氧能夠改善點(diǎn)火性能，金如山研究了補(bǔ)氧對(duì)油氣混合點(diǎn)火器的火焰熄火邊界的影響，結(jié)果表明補(bǔ)氧降低了最小點(diǎn)火能量，拓寬了熄火邊界[9]。燃料類型也會(huì)影響點(diǎn)火性能[10]，本文點(diǎn)火器使用天然氣燃料，對(duì)于天然氣燃料的點(diǎn)火器，其與油燃料點(diǎn)火器的不同以及補(bǔ)氧對(duì)點(diǎn)火性能的影響，相關(guān)文獻(xiàn)較少。

天然氣火炬式點(diǎn)火器在試驗(yàn)初期未能點(diǎn)火成功，經(jīng)分析原因是點(diǎn)火器自身沒(méi)有著火，從而導(dǎo)致點(diǎn)火失敗。通過(guò)數(shù)值仿真研究點(diǎn)火器內(nèi)部的冷態(tài)流場(chǎng)，并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)一步分析外界條件對(duì)點(diǎn)火的影響，得到點(diǎn)火特性及穩(wěn)定的點(diǎn)火條件。同時(shí)為了適應(yīng)機(jī)組多燃料點(diǎn)火以及機(jī)組試驗(yàn)期間更高的點(diǎn)火穩(wěn)定性要求，研究了補(bǔ)氧點(diǎn)火的特性。

1 點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

某航改燃?xì)廨啓C(jī)的點(diǎn)火器整體為Y型結(jié)構(gòu)。如圖1所示，頂部?jī)蓚?cè)為等離子體電嘴和天然氣噴嘴，空氣從正前方和兩側(cè)的氣孔通入，正前方通入的空氣有擋板進(jìn)行導(dǎo)流，這樣有利于形成環(huán)流防止點(diǎn)火器預(yù)燃室的外壁過(guò)熱，同時(shí)避免射流影響火焰穩(wěn)定，從兩側(cè)切向通入的空氣能夠使預(yù)燃室內(nèi)的天然氣和空氣均勻混合。

圖1 點(diǎn)火器整體結(jié)構(gòu)

等離子體點(diǎn)火電嘴的工作方式為短時(shí)間重復(fù)式高能等離子體脈沖點(diǎn)火，電弧的脈沖頻率為2～3 Hz，每次點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間為30 s，點(diǎn)火能量大于2 J。點(diǎn)火器利用等離子體將預(yù)燃室內(nèi)的天然氣和空氣點(diǎn)燃形成火炬，產(chǎn)生的火炬進(jìn)一步點(diǎn)燃燃燒室的燃料。這種點(diǎn)火方式的好處有：(1) 等離子電嘴較常規(guī)電嘴有更大的點(diǎn)火范圍且點(diǎn)火更加穩(wěn)定[11]；(2) 在預(yù)燃室內(nèi)更易產(chǎn)生穩(wěn)定的火炬，火炬有較大的點(diǎn)火能量，能夠點(diǎn)燃較難著火的混合氣流。

火炬式點(diǎn)火器的工作點(diǎn)最好在偏富燃的狀態(tài)，其主要作用是在火炬自身攜帶熱能的同時(shí)，過(guò)量燃料能夠繼續(xù)助燃，從而強(qiáng)化點(diǎn)火性能。點(diǎn)火器的流場(chǎng)組織應(yīng)使等離子體與燃料、空氣流動(dòng)形成最佳的流場(chǎng)匹配，避免因整體過(guò)富造成點(diǎn)火區(qū)局部當(dāng)量比過(guò)高以及燃料、空氣擾動(dòng)等離子體射流而出現(xiàn)流場(chǎng)匹配性問(wèn)題。

2 預(yù)燃室冷態(tài)流場(chǎng)分析

對(duì)冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行分析可以更好了解點(diǎn)火器的流場(chǎng)以及組分分布特性，并為實(shí)驗(yàn)提供參考。火炬式點(diǎn)火器模型如圖2(a)所示，其空氣的正向進(jìn)口直徑為7 mm，切向進(jìn)口直徑為4 mm，天然氣進(jìn)口直徑為7 mm。由于研究冷態(tài)流場(chǎng)特性未涉及點(diǎn)火過(guò)程，簡(jiǎn)化了等離子體電嘴。使用ICEM CFD對(duì)它進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本算例主流區(qū)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且為冷態(tài)計(jì)算，采用網(wǎng)格數(shù)為40萬(wàn)、88萬(wàn)和192萬(wàn)的模型進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)高于88萬(wàn)時(shí)，計(jì)算域流場(chǎng)不再隨網(wǎng)格數(shù)的增加而變化。在考慮網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算資源的前提下，確定網(wǎng)格劃分尺度，如圖2(b)所示，計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)在88萬(wàn)。算例使用的湍流模型為k-epsilon模型，采用定常計(jì)算。冷態(tài)流場(chǎng)仿真分析的邊界條件為：正向進(jìn)入的空氣流量為20 L/min,切向進(jìn)入的空氣流量為20 L/min,天然氣流量為2.5 L/min、5 L/min、12 L/min和40 L/min,當(dāng)量比為0.58、1.16、5.82、9.31，分別對(duì)應(yīng)不同的點(diǎn)火工況。一般燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火狀態(tài)下接近常壓，因此進(jìn)氣壓力取1個(gè)大氣壓。

(a) 前視圖

圖3為空氣正向入口方向的天然氣濃度場(chǎng)截面，從預(yù)燃室正向進(jìn)入的空氣由于擋板的作用形成了環(huán)流，最外側(cè)的環(huán)流主要為空氣，能夠起到冷卻預(yù)燃室外壁的作用，同時(shí)也為燃料點(diǎn)火提供氧氣，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以拓寬點(diǎn)火區(qū)間，同時(shí)延長(zhǎng)點(diǎn)火器的壽命。正向進(jìn)入的空氣流量過(guò)大會(huì)使后方流場(chǎng)出現(xiàn)天然氣濃度分層現(xiàn)象，與進(jìn)口同側(cè)的天然氣濃度明顯高于另一側(cè)的濃度，這樣會(huì)引起壁溫不均，影響點(diǎn)火器的壽命。

圖3 空氣正向入口的天然氣濃度場(chǎng)截面

為了使點(diǎn)火器產(chǎn)生較長(zhǎng)的火炬，通常通入過(guò)量天然氣使預(yù)燃室處于富燃狀態(tài)，但天然氣過(guò)量可能會(huì)造成點(diǎn)火失敗。圖4為天然氣入口方向的濃度場(chǎng)截面，當(dāng)天然氣流量為2.5 L/min時(shí)，預(yù)燃室未處于富燃狀態(tài)且電嘴處的天然氣濃度較小，沒(méi)有達(dá)到可點(diǎn)燃的當(dāng)量比，不具備點(diǎn)火條件。天然氣流量為5 L/min和12 L/min時(shí)，預(yù)燃室內(nèi)處于富燃狀態(tài)，因而聯(lián)焰管內(nèi)存在天然氣，這部分天然氣在點(diǎn)火成功后會(huì)形成較長(zhǎng)的火炬進(jìn)一步點(diǎn)燃火焰筒的燃料，同時(shí)電嘴局部處于合適的當(dāng)量比區(qū)間以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。天然氣流量為40 L/min時(shí)，當(dāng)量比過(guò)高導(dǎo)致電嘴難以點(diǎn)火成功，這也是ET20燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火失敗的原因。因此在點(diǎn)火過(guò)程中既要確保整體處于富燃狀態(tài)，又要防止等離子體電嘴處當(dāng)量比過(guò)高造成點(diǎn)火失敗。

圖4 天然氣入口截面的天然氣濃度場(chǎng)

3 點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置

為了分析點(diǎn)火器的點(diǎn)火規(guī)律并得到穩(wěn)定點(diǎn)火的工況點(diǎn)，搭建一個(gè)如圖5所示的小型實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過(guò)改變天然氣、空氣和氧氣流量來(lái)觀察燃燒狀態(tài)并得出點(diǎn)火區(qū)間。實(shí)驗(yàn)使用控制變量法，研究保持其他變量不變一個(gè)變量對(duì)點(diǎn)火的影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了觀測(cè)火炬的高度和穩(wěn)定程度，點(diǎn)火器未連接聯(lián)焰管。

圖5 小型點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)的工況范圍如表1所示。燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際運(yùn)行中氣體流量是通過(guò)壓力表來(lái)控制的。由于啟動(dòng)狀態(tài)下壓差很小，現(xiàn)場(chǎng)不易準(zhǔn)確測(cè)量且無(wú)法獲得實(shí)際進(jìn)入點(diǎn)火器的流量，所以對(duì)流量進(jìn)行標(biāo)定得到壓力和流量的準(zhǔn)確關(guān)系。標(biāo)定過(guò)程使用U形管壓力計(jì)，圖6(a)至6(c)為在小型實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，R2為曲線的擬合程度。按照伯努利定律，壓差和流量成二次關(guān)系，圖中可以看出標(biāo)定曲線都符合二次關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)全部高于0.999，因此標(biāo)定方法準(zhǔn)確可行。實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)都是通過(guò)控制閥門來(lái)調(diào)節(jié)壓力表示數(shù)以控制氣體流量。

表1 實(shí)驗(yàn)工況表

(a) 空氣壓力流量曲線

從標(biāo)定結(jié)果來(lái)看，在不加節(jié)流措施的情況下氧氣和天然氣在低壓力下已達(dá)到較高流量，由于存在背壓波動(dòng)，非常不便于控制。根據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果提出了流路節(jié)流要求。

3.2 點(diǎn)火邊界及燃燒現(xiàn)象

燃料對(duì)點(diǎn)火過(guò)程有重要的影響，對(duì)油燃料來(lái)說(shuō)，燃油的物理性質(zhì)影響到燃油的霧化和蒸發(fā)，其最小點(diǎn)火能量一般隨燃油揮發(fā)性的變差、表面張力增加和粘性的增大而增大。使用天然氣作為點(diǎn)火燃料不存在霧化和蒸發(fā)的問(wèn)題，燃料與空氣易于摻混，理論上有利于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。實(shí)驗(yàn)觀察了點(diǎn)火器的不同火炬的典型形態(tài)，本文分別命名為內(nèi)火、穩(wěn)定火焰和外火。如圖7所示，圖7(a)為預(yù)燃室內(nèi)形成內(nèi)火，出現(xiàn)的原因?yàn)樘烊粴饬髁窟^(guò)低，點(diǎn)火器處于貧燃狀態(tài)，雖然成功點(diǎn)火，但是未形成較長(zhǎng)火炬，點(diǎn)火能量不足；圖7(b)為火炬的正常狀態(tài)，點(diǎn)火器處于富燃狀態(tài)，此時(shí)火炬穩(wěn)定，不易受外界影響且有較高的總能量；圖7(c)相對(duì)于圖7(b)狀態(tài)的當(dāng)量比更高，天然氣流量過(guò)大導(dǎo)致內(nèi)部當(dāng)量比高難以點(diǎn)火，初始狀態(tài)的火焰蔓延到預(yù)燃室外，與外部空氣接觸后形成火炬，沿噴嘴呈環(huán)形分布且抖動(dòng)劇烈，在實(shí)驗(yàn)時(shí)外部的擾動(dòng)如吹氣即可使火炬熄滅。因此設(shè)計(jì)點(diǎn)火工況須要避免內(nèi)火和外火兩種工況。

圖7 不同火炬形態(tài)

圖8為使用燃油和天然氣的點(diǎn)火邊界，控制其他因素保持一致，使當(dāng)量比為主要變量。典型的油燃料火炬式點(diǎn)火器，其燃油邊界極限由金如山[9]所得，作為對(duì)照和參考。天然氣點(diǎn)火邊界由本文搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)所得，由于試驗(yàn)條件限制以及實(shí)際點(diǎn)火中空氣速度不會(huì)過(guò)高,未進(jìn)行速度高于25 m/s的實(shí)驗(yàn)。為了能夠與燃油方式的點(diǎn)火邊界對(duì)比，用假想虛線閉合曲線。

圖8 不同燃料的點(diǎn)火邊界極限

隨著空氣流速的增加，點(diǎn)火區(qū)間變化趨勢(shì)是逐漸變窄，其原因是空氣流速增大使點(diǎn)火區(qū)對(duì)流散熱增加，因此需要更大的能量來(lái)補(bǔ)償這部分損失[12]，同時(shí)流速高意味著火焰停留時(shí)間變短，這不利于點(diǎn)火成功。在確保能夠穩(wěn)定點(diǎn)火的前提下使空氣流速降低可以拓寬點(diǎn)火區(qū)間。

空氣流速在4～10 m/s時(shí)，兩種方式的點(diǎn)火區(qū)間的當(dāng)量比寬度大體一致，但油燃料整體當(dāng)量比偏高，其原因是燃油由于存在霧化和蒸發(fā)過(guò)程，因此有效當(dāng)量比低，所以對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火邊界高于天然氣的點(diǎn)火邊界。油燃料在富燃狀態(tài)下存在積油等安全性問(wèn)題，因此低速區(qū)選用天然氣點(diǎn)火更有優(yōu)勢(shì)。如圖8中豎直虛線所示，富燃側(cè)存在一個(gè)12 m/s左右的特征速度，天然氣燃料點(diǎn)火器在低于該速度下點(diǎn)火邊界較低，高于該速度則點(diǎn)火邊界較高。隨著速度增加，燃油的點(diǎn)火邊界降低的速率更快，點(diǎn)火區(qū)間明顯變窄，此時(shí)工況的不穩(wěn)定極有可能引起點(diǎn)火失敗。流速高于20 m/s時(shí)，使用燃油已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，而天然氣仍然有較大的點(diǎn)火區(qū)間?？傮w來(lái)看，ET20燃?xì)廨啓C(jī)使用天然氣作為點(diǎn)火燃料具有較大的優(yōu)勢(shì)。

研究空氣和天然氣流量對(duì)火炬的影響有利于指導(dǎo)實(shí)際過(guò)程中工況的調(diào)節(jié)。圖9為固定空氣流量，火炬隨天然氣流量的變化。當(dāng)天然氣流量為5 L/min時(shí)，燃燒過(guò)程大部分都發(fā)生在點(diǎn)火器內(nèi)，僅在點(diǎn)火器外有很小的火苗，不能滿足形成火炬的需求。流量增大時(shí)，點(diǎn)火器內(nèi)的天然氣未完全燃燒，火苗逐漸增大形成火炬。當(dāng)天然氣流量增大到11 L/min時(shí)，預(yù)燃室外產(chǎn)生了穩(wěn)定且較長(zhǎng)的火炬，此時(shí)能夠滿足火焰筒內(nèi)燃料的點(diǎn)火需求。天然氣流量繼續(xù)增大時(shí)，火炬發(fā)生劇烈抖動(dòng)且易吹熄，所以此時(shí)的流量增大是不必要的。當(dāng)固定天然氣流量時(shí)，隨著空氣流量的增加，火炬高度降低。同時(shí)空氣增多使預(yù)燃室內(nèi)的反應(yīng)更加充分，火焰溫度升高使火炬有更高的點(diǎn)火能量，但是空氣流速過(guò)快會(huì)使點(diǎn)火區(qū)間變窄，同時(shí)氣體燃料的燃燒溫度已經(jīng)很高，不必要求更高溫度，因此在實(shí)際點(diǎn)火過(guò)程中，空氣流速一般控制在較低的水平?？諝夂吞烊粴饬髁繉?duì)火炬的影響是當(dāng)量比越高，火炬越高。

圖9 火炬隨天然氣流量的變化

3.3 補(bǔ)氧助燃分析

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)得到了不補(bǔ)氧狀態(tài)下點(diǎn)火器的點(diǎn)火邊界和點(diǎn)火規(guī)律，在實(shí)際的燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行中，工況點(diǎn)的變化(空氣和天然氣流量不穩(wěn)定、外部空氣狀態(tài)隨環(huán)境變化等)會(huì)影響點(diǎn)火，尤其在機(jī)組試驗(yàn)和調(diào)試過(guò)程中，存在更多的不確定因素。為了提高安全性和穩(wěn)定性，本文增加了補(bǔ)氧燃燒的助燃方式，進(jìn)一步提高點(diǎn)火器的可靠性。

首先觀測(cè)了不同氧氣流量下的火炬狀態(tài)。固定空氣流量為51.45 L/min，天然氣流量為8 L/min，隨氧氣流量的變化如圖10所示。氧氣流量從4 L/min到14 L/min的過(guò)程中，火炬的高度沒(méi)有發(fā)生明顯變化，但氧氣流量較低時(shí)，火炬稍微有些抖動(dòng)，流量增大后，火炬噴射速度增大且抖動(dòng)明顯減小，因此在補(bǔ)氧過(guò)程中，氧氣流量可以在最小補(bǔ)氧量的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加。

圖10 火炬隨氧氣流量的變化

實(shí)驗(yàn)研究了在不同補(bǔ)氧比下的點(diǎn)火邊界。圖11為不同補(bǔ)氧量的點(diǎn)火邊界曲線。圖11中，Q為補(bǔ)氧量，縱坐標(biāo)為當(dāng)量比，橫坐標(biāo)為空氣流速，速度大于25 m/s的工況點(diǎn)未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)補(bǔ)氧助燃時(shí)天然氣流量過(guò)低，設(shè)備讀數(shù)精度不夠，因此圖中使用虛線使其閉合，虛線為假想趨勢(shì)線，作為定性參考。補(bǔ)氧下的富燃邊界線顯著的擴(kuò)展，補(bǔ)氧量越大，拓寬效果越明顯。富燃點(diǎn)火邊界比貧燃點(diǎn)火邊界擴(kuò)展要多，這是因?yàn)樨毴紶顟B(tài)下，氧氣已經(jīng)過(guò)量，其主要起助燃作用，而在富燃狀態(tài)下，氧氣不僅可以降低最小點(diǎn)火能量，而且可以充當(dāng)反應(yīng)物使更多天然氣燃燒，因此其富燃邊界擴(kuò)展更多。為了與燃油補(bǔ)氧的點(diǎn)火方式作比較[9]，將縱坐標(biāo)改為當(dāng)量比的倒數(shù)，對(duì)比如圖12所示。圖12中，Q為補(bǔ)氧量，縱坐標(biāo)φ-1為當(dāng)量比的倒數(shù)，橫坐標(biāo)為空氣流速，使用補(bǔ)氧的燃油點(diǎn)火區(qū)間明顯寬于不補(bǔ)氧的燃油點(diǎn)火區(qū)間，最高點(diǎn)火速度也有所增加，但點(diǎn)火火團(tuán)內(nèi)燃油的蒸發(fā)程度對(duì)成功點(diǎn)火及點(diǎn)火邊界的寬窄有重大影響，其點(diǎn)火性能依然比天然氣的差，天然氣在氣流的擾動(dòng)下可以在短時(shí)間內(nèi)均勻地?cái)U(kuò)散，補(bǔ)氧能夠進(jìn)一步提高其點(diǎn)火穩(wěn)定性，因此ET20燃?xì)廨啓C(jī)的點(diǎn)火方式有很大的優(yōu)勢(shì)。

圖11 不同補(bǔ)氧量的點(diǎn)火邊界線

圖12 不同點(diǎn)火方式的點(diǎn)火邊界線

研究最小補(bǔ)氧量既能節(jié)省助燃成本，又能保證點(diǎn)火器的安全性。如圖13所示，在實(shí)驗(yàn)區(qū)間內(nèi)最小補(bǔ)氧量與空氣流量近似線性關(guān)系，保持天然氣流量QCH4不變，空氣流量增大的過(guò)程中，預(yù)燃室內(nèi)氣流擾動(dòng)增大，最小點(diǎn)火能量增加使點(diǎn)火困難，此時(shí)需要更多的氧氣降低點(diǎn)火能量。在固定空氣流量下，在天然氣流量增大過(guò)程中，最小補(bǔ)氧量的曲線日趨平緩，說(shuō)明天然氣流量增加不需要相應(yīng)比例的補(bǔ)氧量增加，這也證明了氧氣主要作用是助燃，而不是參與反應(yīng)。通過(guò)以上分析可得，在調(diào)節(jié)空氣或天然氣流量的過(guò)程中，須要改變補(bǔ)氧量，否則可能導(dǎo)致點(diǎn)火失敗。值得注意的是，以上結(jié)論僅適用于實(shí)驗(yàn)所做的工況范圍，當(dāng)空氣或者天然氣流量過(guò)大時(shí)，最小點(diǎn)火能量急劇增加，此時(shí)即使增加補(bǔ)氧量，也難以點(diǎn)火成功。

(a) 固定天然氣流量的最小補(bǔ)氧量

點(diǎn)火器處于富燃狀態(tài)時(shí)，主要分析氧氣對(duì)富燃邊界的拓寬能力。圖14為點(diǎn)火區(qū)間隨補(bǔ)氧比的變化，其中縱坐標(biāo)補(bǔ)氧比為通入氧氣量與空氣中的氧氣之比，橫坐標(biāo)為當(dāng)量比，為了與未采取補(bǔ)氧措施的點(diǎn)火器進(jìn)行對(duì)比，圖中當(dāng)量比未計(jì)入氧氣項(xiàng)。傳統(tǒng)上按照點(diǎn)火邊界來(lái)分區(qū)，本文對(duì)富燃著火極限進(jìn)行了更深入的研究，將富燃著火極限進(jìn)行了更細(xì)致的分區(qū)，點(diǎn)火區(qū)間總共為5個(gè)區(qū)間：貧油未燃區(qū)、穩(wěn)定點(diǎn)火區(qū)、吹熄區(qū)、不穩(wěn)定著火區(qū)和富油未燃區(qū)。其中吹熄區(qū)為前文所述的外火狀態(tài)，點(diǎn)火器能著火但易吹熄；不穩(wěn)定著火區(qū)為低于點(diǎn)火概率80%，但仍可能著火的區(qū)域，該區(qū)域在富燃邊界外具有明顯的寬度；不穩(wěn)定著火區(qū)外是完全意義的富油未燃區(qū)。從貧燃極限的變化趨勢(shì)可得，補(bǔ)氧略微拓寬了貧燃邊界，但是拓寬效果不明顯，本文不對(duì)貧燃邊界做深入研究。補(bǔ)氧比為0時(shí)即為不加助燃措施的燃燒狀況。從富燃極限曲線可得，補(bǔ)氧比越大，富燃邊界拓寬越明顯，證明補(bǔ)氧可用于拓寬點(diǎn)火區(qū)間。吹熄區(qū)間隨著補(bǔ)氧比增加而減小，當(dāng)補(bǔ)氧比達(dá)到約0.15時(shí)，不再出現(xiàn)吹熄現(xiàn)象，說(shuō)明補(bǔ)氧可以有效防止外界因素對(duì)點(diǎn)火造成干擾，使點(diǎn)火更穩(wěn)定。雖然加入更多的氧氣可以使最小點(diǎn)火能量減少，但是如果氧氣過(guò)多會(huì)使實(shí)際總當(dāng)量比過(guò)小，這樣又會(huì)使最小點(diǎn)火能量增大，同時(shí)補(bǔ)氧燃燒可能造成局部溫度過(guò)高，影響點(diǎn)火器壽命，因此要適當(dāng)控制好補(bǔ)氧量。在燃?xì)廨啓C(jī)上補(bǔ)氧后一般控制在總含氧量在50%以下，補(bǔ)氧是改善點(diǎn)火的。

圖14 點(diǎn)火區(qū)間隨補(bǔ)氧比的變化

富燃極限細(xì)分點(diǎn)火區(qū)間的研究結(jié)果，在以往文獻(xiàn)中未見(jiàn)報(bào)道，該研究有助于深化對(duì)點(diǎn)火問(wèn)題的理解。

4 實(shí)際運(yùn)行成果

依據(jù)實(shí)驗(yàn)獲取的點(diǎn)火器特性進(jìn)行了燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。實(shí)際安裝兩個(gè)點(diǎn)火器，安裝照片如圖15所示。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)的氣體管路(燃料噴嘴和供氧管路)采用節(jié)流措施使壓力升高，以防止外界的小壓力波動(dòng)使流量不穩(wěn)定，節(jié)流后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了重新的流量標(biāo)定。圖16為在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)天然氣和氧氣的標(biāo)定的結(jié)果。點(diǎn)火器通入的空氣流量核算為51.45 L/min(對(duì)應(yīng)流速為10 m/s)。工況點(diǎn)選取原則是確保位于富燃區(qū)且距點(diǎn)火邊界一定距離。氧氣流量選擇稍高于最小補(bǔ)氧量，在起到確定助燃作用的同時(shí)，兼顧安全性。選取的工況點(diǎn)如表2所示，補(bǔ)氧工況點(diǎn)相對(duì)不補(bǔ)氧工況點(diǎn)，當(dāng)量比提高了約一倍，即使考慮了氧氣項(xiàng)的總當(dāng)量比也大大高于不補(bǔ)氧的當(dāng)量比。

圖15 點(diǎn)火器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

(a) 天然氣-壓力流量曲線

表2 設(shè)計(jì)工況點(diǎn)

本文的點(diǎn)火器首先在燃?xì)獍l(fā)生器上進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)階段燃?xì)獍l(fā)生器主燃料為天然氣燃料。圖17為燃?xì)獍l(fā)生器首次成功點(diǎn)火照片，工況點(diǎn)采用了補(bǔ)氧設(shè)計(jì)點(diǎn)2。其他工況點(diǎn)經(jīng)試驗(yàn)均能點(diǎn)火成功。此次點(diǎn)火成功為后續(xù)燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖17 燃?xì)獍l(fā)生器首次成功點(diǎn)火

燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)試驗(yàn)中，因試驗(yàn)需要采用了輕柴油燃料，仍使用本文的天然氣燃料點(diǎn)火器。改用新燃料后點(diǎn)火器分別經(jīng)歷了燃?xì)獍l(fā)生器試驗(yàn)和燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)實(shí)驗(yàn)。圖18為燃?xì)獍l(fā)生器的點(diǎn)火啟動(dòng)特性曲線，啟動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)。圖19為燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。通過(guò)本文補(bǔ)氧改造后的點(diǎn)火器在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)下先后在燃?xì)獍l(fā)生器和整機(jī)試驗(yàn)中分別成功點(diǎn)燃。

圖19 燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)論

本文研究了帶有等離子體電嘴的天然氣火炬式點(diǎn)火器及其補(bǔ)氧條件下的點(diǎn)火性能，根據(jù)研究結(jié)果對(duì)點(diǎn)火器提出了流路節(jié)流改進(jìn)要求，設(shè)計(jì)了點(diǎn)火條件并最終解決了燃?xì)廨啓C(jī)的點(diǎn)火問(wèn)題。其主要結(jié)論如下：

(1) 研究了天然氣燃料點(diǎn)火與早期油燃料點(diǎn)火的不同。天然氣作為點(diǎn)火燃料可以極大改善點(diǎn)火性能，相對(duì)于油燃料，使用天然氣能在更高流速下點(diǎn)火。天然氣擁有更低當(dāng)量比的貧燃點(diǎn)火極限，在富燃側(cè)存在一個(gè)特征速度，天然氣燃料點(diǎn)火器在低于該速度下點(diǎn)火邊界較低，高于該速度則點(diǎn)火邊界較高。

(2) 研究了空氣和天然氣流量對(duì)點(diǎn)火的影響及選取準(zhǔn)則。點(diǎn)火器火炬高度隨空氣流量增加而降低，隨天然氣流量增加而升高。在保證點(diǎn)火器穩(wěn)定燃燒的前提下，采用較低的空氣流量能夠擁有更大的點(diǎn)火區(qū)間，采用更高的當(dāng)量比能夠使富燃狀態(tài)的點(diǎn)火器形成較長(zhǎng)的火炬并有利于點(diǎn)火。

(3) 研究了補(bǔ)氧對(duì)點(diǎn)火條件的拓寬。定量給出了最小補(bǔ)氧量與空氣和天然氣流量的關(guān)系，并給出了富氧側(cè)點(diǎn)火區(qū)間的細(xì)分特性。通過(guò)補(bǔ)氧可以提高燃燒穩(wěn)定性，拓寬點(diǎn)火邊界，防止其他因素使火炬熄滅,設(shè)計(jì)的補(bǔ)氧工況點(diǎn)相對(duì)不補(bǔ)氧工況點(diǎn)當(dāng)量比提高了約一倍，點(diǎn)火效果良好。

本文使用數(shù)值計(jì)算對(duì)此類型點(diǎn)火器的點(diǎn)火規(guī)律及冷態(tài)流場(chǎng)分布進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究點(diǎn)火器的點(diǎn)火特性，并通過(guò)補(bǔ)氧進(jìn)一步提高點(diǎn)火穩(wěn)定性，最終解決了點(diǎn)火器的問(wèn)題。