新型等离子体点火技术在火电灵活性中的应用分析

近年来在国家政策的主导下,风电等新能源得到了快速发展,新能源的消纳问题也随之凸显出来,灵活性调峰是解决这一问题的有效措施。等离子体点火技术是一项卓有成效的低负荷稳燃措施,可满足深度调峰需求,有效提高火电机组对新能源发电的消纳能力。针对传统等离子体技术在火电灵活性应用中存在的问题,提出一种新型等离子体点火技术。该技术可使发生器阴极寿命提升至500 h以上,阳极寿命提升至1000 h以上;提高了煤质适应性,可适用于大部分燃用烟煤的电厂;而且点火过程中对燃烧器内燃强度有较好的控制,不易发生超温结焦现象。

基于PWM整流器的大功率等离子体点火电源

对大功率等离子体点火电源中脉宽调制(PWM)整流参数和控制环进行了设计,提升了PWM整流输出电压抗负载扰动能力,实验验证了所提方案的有效性。

逆变式等离子体点火系统电源研制

根据等离子体点火对低压直流电源的要求,设计了一种基于单管自激式拓扑结构的高压脉冲电源。该电源通过单管自激式拓扑结构实现电压的逆变功能,通过单结晶体管振荡电路提供的控制信号实现对可控硅的控制功能,通过充电电阻和电容的改变实现点火频率变化。为减小变压器漏感对开关管的影响,使用了保护电路。仿真对比逆变升压电路变压器漏感的影响,实现逆变升压电路与点火电路的参数匹配,通过搭建原理样机进行实验,验证了逆变式等离子体点火电源方案设计的有效性。设计升压电路输出电压1 000 V,输出电流0.3 A。通过实验获得等离子体点火电源输出电压大于10 kV,输出电流最大值约500 A,放电时间约52.89 ms。

电厂智能化等离子体点火控制技术应用与研究

对某电厂等离子体点火系统进行智能化升级改造,全新图像火焰检测技术运行稳定、检测准确,智能化等离子体点火技术成为技术亮点,系统性能明显提升,达到智能化启动及稳燃需求,可以根据锅炉燃烧实际情况实现智能化燃烧调节,提高火电机组智能化程度。本文对该项目概况进行简介,并且剖析等离子体点火系统,对项目结果进行总结,以期为业内同行提供相关研究工作的参考。

等离子体点火密闭爆发器中火药燃速特性的研究

等离子体与火药的作用规律是影响电热化学发射中能量利用效率的关键因素。研制了采用等离子体点火的密闭爆发器实验系统,对单基药在等离子体作用下的燃烧特性进行了研究。结果表明:等离子体点火可以显著缩短火药的点火延滞时间;实现有效点火的电能的最低阈值低于0.05kJ/g;输入电能可以显著增加火药的燃速。等离子体对所用单基药燃速的增强效果仅体现在电脉冲注入期间,但是随着电能输入的增加,逐渐显示出等离子体注入期后火药燃速增强的趋势。

等离子体点火器设计及其放电特性研究

基于等离子体放电理论,设计了3种不同形式的等离子体点火器:环形等离子体点火器、碟形等离子体点火器和圆柱等离子体点火器。对于不同的等离子体点火器,研究了在电源激励形式、电压、气体压力变化时的点火器放电特性,并将等离子体点火器与普通火花塞点火器的点火进行了对比分析。结果表明:设计的3种等离子体点火器能够有效地产生等离子体放电流注;随着放电环境的空气气压的逐渐升高,等离子体点火器的临界放电电压不断增大;在低气压时,击穿阈值电压随气压增加呈线性上升,基本符合帕邢定律的放电公式,在高气压时,放电阈值电压会偏离帕邢定律。

瞬态等离子体点火和火花塞点火起爆过程的对比研究

为了研究瞬态等离子体点火起爆脉冲爆震发动机的可行性,设计了适用于脉冲爆震发动机的瞬态等离子体点火器,并对瞬态等离子体点火和火花塞点火的放电过程进行了对比,瞬态等离子体点火器具有更大的点火面积。在此基础上,以甲烷气为燃料,对瞬态等离子体点火和火花塞点火的爆震起爆过程进行了二维数值模拟研究,数值模拟结果表明,采用等离子体点火起爆过程引发爆震所需的爆燃到爆震时间和距离比火花塞点火起爆过程缩短了64%和22%。

超声速燃烧室等离子体点火实验研究

针对超燃冲压发动机在较低飞行M数(M0≤4)下的起动点火问题,利用氢氧燃烧加热脉冲风洞,在超声速燃烧室进口M数M=2、总温T0=960K条件下,分别采用等离子体点火器+先锋氢燃料和大功率等离子体点火器,探索了在超声速燃烧室中,实现煤油点火和稳定燃烧的方法。采用等离子体点火、凹槽火焰稳定器和从壁面喷射燃料方式,实现了煤油的可靠点火和稳定燃烧。研究表明,在燃烧室进口M=2、总温T0=960K时,采用大功率等离子体点火器,不需要先锋燃料,可以直接点燃煤油。

低敏感高能发射药等离子体点火研究动态

介绍了发射药等离子体点火的试验、机理和模型研究的最新进展。分析了等离子体点火技术应用于低敏感高能发射药的可行性,提出了开展低敏感高能发射药等离子体点火研究的概念框架、关键内容以及相关技术措施等。低敏感高能发射药等离子体点火研究应该充分利用电热化学炮中等离子体点火技术的研究成果。在深刻认识低敏感高能发射药特殊配方与等离子体相互作用规律的基础上,合理进行等离子体能量输出功率调控和点火结构设计。

SF-3发射药的等离子体点火中止燃烧试验

采用有剪切膜片控压的密闭爆发器分别在等离子体点火和常规点火条件下进行该发射药的燃烧性能和中止燃烧两种比较试验。用扫描电镜观测了SF-3发射药的燃面变化情况。结果显示,在底喷式等离子体发生器作用下,SF-3发射药的燃烧表面存在大量微坑,使燃烧表面积大大增加,并导致SF-3发射药等离子体点火燃烧在一定程度上偏离几何燃烧规律。在常规点火条件下,SF-3发射药中止燃烧表面的Cu、C、O三种元素的归一化质量分数分别为0.7%、30.0%、69.3%,而在等离子体点火条件下则分别为3.0%、35.5%、61.5%,表明等离子体发生器所产生的高温C颗粒和Cu颗粒对SF-3发射药的燃烧有显著影响。

ETPE发射药等离子体点火的燃烧特性

为解决ETPE发射药点火延迟时间长及难点火的问题,用高功率脉冲电源通过等离子体发生器产生电弧等离子体点燃ETPE发射药,并研究了ETPE发射药在等离子体作用条件下的点火燃烧特性。结果表明,与常规点火方式相比,等离子体作用使ETPE发射药的燃速显著增强,点火延迟期缩短,点火的一致性改变。分析认为,等离子体高温高速射流的强作用使得RDX颗粒快速越过吸热熔融过程达到分解放热阶段,所以ETPE发射药点火延迟期缩短以及燃烧初期燃速提高。

密闭爆发器等离子体点火一致性实验研究

为了研究描述密闭爆发器固体发射药点火燃烧一致性的通用方法,并验证固体发射药等离子体点火的优越性,提出基于平均值和标准差的一致性因子来表征密闭爆发器固体发射药点火燃烧的一致性,进行了固体发射药等离子体点火和常规点火一致性对比实验。通过对比研究主要参数的一致性,分析固体发射药等离子体点火性能。研究表明,该一致性因子可以用于描述和分析密闭爆发器固体发射药点火燃烧一致性。固体发射药等离子体点火的点火延迟和最大膛压的一致性都好于常规点火,验证了固体发射药等离子体点火的优越性。

等离子体点火对高能硝胺发射药点火性能影响研究

采用等离子体点火的方法研究了高能硝胺发射药在不同等离子体射流条件作用下的点火特性,与常规点火方式的点火特性进行了比较,分析了不同点火方式下高能硝胺发射药的静、动态点火效果,并探讨了调节等离子体点火能量对发射药点火性能影响。试验结果表明:与常规点火方式相比,等离子体点火延迟时间明显缩短;增加等离子体点火能量会使发射药点火时间短、燃烧速度快;密闭爆发器中,随着发射药装填密度增大,点火和燃烧时间均变短;受等离子体射流点火的影响,等离子体点火膛压曲线上升前期坡度比常规点火膛压曲线陡,对发射药点火燃烧影响更显著。

发射药的等离子体点火燃烧中止试验研究

用等离子体点火中止燃烧装置,研究了等离子体点火太根药、双基药、硝胺药及单基药的燃烧中止现象,借助所得回收样品的显微照片和中止压力-时间曲线分析了等离子体与发射药的相互作用规律。结果表明,由于等离子体的侵蚀和辐射作用,发射药的燃烧表面不规则;不同配方发射药的点火延迟时间不同,太根发射药等离子体点火的延迟时间最短,容易实现等离子体点火。发射药的理化性质,包括配方和添加剂成分、表面状况、热传导系数和光学吸收系数等对等离子体点火有着显著影响。

含能材料等离子体点火过程的数值模拟

建立含能材料在等离子体作用下的强瞬态热传导模型 ,对Dufort Frankel差分格式进行了修正 ,使得时间和空间都是二阶精度 ,并对含能材料等离子体点火过程进行数值模拟。结果表明 ,( 1 )含能材料药粒直径变化对等离子体点火性能有较大的影响 ,小药粒条件下 ,点火延迟时间会明显缩短。 ( 2 )等离子体温度的增加会使含能材料的点火时间缩短。 ( 3)

等离子体点火中止后回收发射药的X射线荧光光谱分析

利用中止燃烧装置,对单基药、双基药、太根药及硝胺药等不同种类发射药进行常规方式和等离子体点火的比较研究。燃烧中止后,回收得到残存发射药。对这些回收发射药表面进行X射线荧光光谱(XRF)分析,以检测发射药表面由于等离子体带来的金属含量。15/19单基药和硝胺药表面的Cu沉积很少;沉积在太根药样品表面的Cu元素,经估算后其含量约为Pb元素的20%左右;而等离子体点火双芳-3的XRF谱图中,Cu元素所处的峰的强度明显增强,经估算后其含量约为Pb元素的50%左右。Cu元素在不同配方发射药表面沉积的相对含量与金属蒸汽罩模型的观点存在不一致。试验结果表明:与常规点火方式相比,等离子体点火燃烧中止后回收得到的发射药表面有金属Cu离子或原子沉积。Cu在发射药表面沉积的相对含量与等离子体发射药能量转移方式、发射药的配方及燃烧状况相关。

含能材料等离子体点火过程的强瞬态二维热传导分析

针对在等离子体点火过程中,当热量传播速度为有限值时,其传热机理和适用经典傅里叶定律时热量传播速度为无限大时完全不同。通过对傅里叶定律进行修改,使其能够在强瞬态导热中应用。在柱坐标下建立火药颗粒强瞬态热传导的轴对称二维数学物理模型,并进行数值模拟,计算得到了火药颗粒内部温度场分布,分析了不同因素对等离子体点火性能特别是点火延迟的影响以及火药颗粒内部加入热电偶后对内部温度场分布的影响。计算结果表明:等离子体辐射温度越高,点火延迟越小;辐射吸收层越小,表面温度达到着火点所需时间越短,点火延迟也就越小;松驰时间对等离子体点火产生滞后影响,松驰时间大使热传导系统保持原有稳定状态的能力就强,热传导能量难以向内部渗透。当插入热电偶测量温度时,热电偶对温度场分布会产生影响。

等离子体点火对燃烧转爆轰影响的数值计算

采用CE/SE方法对耦合的流体力学方程与麦克斯韦方程求解,对等离子体点火和气液两相爆轰过程进行数值模拟.讨论了3种不同点火位置对燃烧转爆轰(DDT)的影响.结果表明,等离子体点火可以在短时间内点燃爆轰管内汽油/空气混合物,经过一系列复杂的波系与波系、波系与管壁之间的相互作用最终形成稳定的爆轰波.壁面点火比中心点火具有优势,可以缩短DDT时间约8.5%,缩短DDT距离约10.6%,部分计算结果与试验结果符合良好.研究工作能够为PDE的优化设计提供理论指导.

等离子体点火对PDE一维两相爆轰影响的数值计算

建立了PDE管内利用等离子体射流点火过程的一维两相流体动力学数学模型,并用CE/SE方法对管内两相爆轰过程进行了数值模拟。分析讨论了等离子体射流点火不同射流时间及点火能量对于爆轰波形成的影响。结果表明:与常规火花点火相比,等离子体射流点火可以缩短DDT时间约35%,缩短DDT距离约30%;在能够形成爆轰的情况下,等离子体点火能量和点火时间的增加对DDT距离影响很小。计算结果对提高脉冲爆轰发动机的运行频率具有重要的参考价值。

新型等离子体点火燃烧筒研究

以装有150kW等离子体发生器的某等离子体点火试验燃烧器为例,应用数值模拟的方法对等离子体点火燃烧器的稳燃性能进行了研究,并提出了一种新型的径向/切向进风等离子体点火燃烧筒.研究结果表明,一次风速(风粉气流流速)、等离子体气流的穿透区域和煤粉浓度等是影响等离子体点火过程及煤粉着火燃烧的主要因素.径向/切向进风可以在燃烧筒内形成多向回流和旋流,使得风粉气流在燃烧筒内不仅有轴向速度,而且还有径向和切向速度,改变了轴向进风气流运动的单一性,增加了煤粉气流在筒内的停留时间,着火区域扩大,火焰充满度好,有利于燃烧筒内的稳燃.