引用本文
黄安, 许振宇, 夏晖晖, 姚路, 阮俊, 胡佳屹, 臧益鹏, 阚瑞峰. 波长调制吸收光谱技术的燃气轮机燃烧室温度组分二维分布测量方法[J]. 光谱学与光谱分析, 2021,41(4): 1144-1150.
HUANG An, XU Zhen-yu, XIA Hui-hui, YAO Lu, RUAN Jun, HU Jia-yi, ZANG Yi-peng, KAN Rui-feng. Measurement Method of Two-Dimensional Distribution of Temperature and Components in Gas Turbine Combustor Based on Wavelength Modulated Absorption Spectroscopy[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2021,41(4): 1144-1150.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1144-07  
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波长调制吸收光谱技术的燃气轮机燃烧室温度组分二维分布测量方法
黄安1,2, 许振宇1, 夏晖晖1, 姚路1, 阮俊1, 胡佳屹1, 臧益鹏1,2, 阚瑞峰1,*
1.中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2.中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
*通讯作者 e-mail: rfkan@ciomp.ac.cn

作者简介: 黄 安, 1995年生, 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室硕士研究生 e-mail: ahuang@aiofm.ac.cn

收稿日期: 2020-04-01 修订日期: 2020-07-26
基金: 国家重点研发计划项目(2019YFB2006003); 国家自然科学基金项目(41901081, 61805286); 中国科学院合肥物质科学研究院院长基金项目(YZJJ2018QN2)资助
摘要

可调半导体激光光谱技术(TDLAS)可实现温度、 组分浓度等多参数同时测量, 具有体积小、 响应速度快、 环境适应性高等优点, 逐渐成为燃烧流场诊断的主要手段之一。 TDLAS光谱测量常采用直接吸收技术和波长调制技术, 其中强度归一化的波长调制技术, 适合存在振动、 湍流等致光束偏转效应和强辐射本底等恶劣应用环境条件的燃气轮机流场参数测量。 基于TDLAS技术, 开展了1 f归一化波长调制技术燃气轮机燃烧室温度、 组分浓度参数测量方法研究和实验室验证工作, 并在某燃气轮机单喷嘴台架进行了冷态、 热态试验验证, 实现了燃气轮机燃烧室沿气流方向温度及H2O、 CH4浓度二维分布测量。 采用1 f归一化波长调制技术抑制台架振动、 热辐射背景噪声, 采用1 392, 1 469和1 343 nm蝶形封装的DFB激光器, 三支激光器的出光方式为时分复用, 选取H2O的7 185.6, 6 807.83和7 444.3 cm-1处的吸收线, 两两组合使用, 测量热态下一定范围内的温度和H2O浓度; 采用1 654 nm蝶形封装的DFB激光器, 选取CH4的6 046.96 cm-1处的吸收线进行冷态CH4浓度测量。 实验室对测量系统可靠性进行验证, 配置4%~6%范围内的CH4气体进行测量并与实际值对比, 浓度测量最大相对偏差为3.72%; 在高温炉中设定900~1 500 K范围内的温度台阶, 充入纯水汽, 计算不同设定温度和压力下的温度和浓度测量值, 温度测量最大相对偏差3.07%, 浓度测量最大相对偏差为-2.00%, 验证了该测量系统的可靠性。 台架燃气轮机实验中, 集成了一套小型化测量仪器, 设计多束激光收发一体的测量结构。 实验采用两个电动位移台, 搭载测量结构, 每间隔5 mm逐点移动采样, 对燃气轮机燃烧室300 mm×60 mm的燃烧区域进行测量, 获取了若干工况下冷热态结果。 通过双三次插值的方法绘制分辨率为0.5 mm的二维流场分布图, 结果分别反映了测量区域范围内CH4和火焰分布的真实状态。 为燃气轮机喷嘴燃料、 空气掺混情况和燃烧特性研究提供了新的研究方法和技术手段。

关键词: TDLAS; 燃气轮机; 波长调制; 流场诊断; 移动测量
中图分类号:O433.1 文献标志码:A
Measurement Method of Two-Dimensional Distribution of Temperature and Components in Gas Turbine Combustor Based on Wavelength Modulated Absorption Spectroscopy
HUANG An1,2, XU Zhen-yu1, XIA Hui-hui1, YAO Lu1, RUAN Jun1, HU Jia-yi1, ZANG Yi-peng1,2, KAN Rui-feng1,*
1. Key Laboratory of Environmental Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China
2. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
*Corresponding author
Abstract

Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) can realize the simultaneous measurement of multiple parameters such as temperature and component concentration, which has the advantages of small size, fast response and high environmental adaptability, so the technology has gradually become a major tool of combustion flow field diagnosis. TDLAS mainly includes direct absorption spectroscopy and wavelength modulation spectroscopy. Intensity normalized wavelength modulation spectroscopy is suitable for gas turbine flow field parameter measurement under severe application environment conditions, such as beam deflection effect caused by vibration, turbulence and strong thermal radiation background. Based on the TDLAS technology, carry out the 1 f normalized wavelength modulation technique methods for measuring the parameters of gas turbine combustor temperature, the concentration of components research and laboratory test. A two-dimensional measurement scheme of temperature and concentration of H2O and CH4 in gas turbine combustor along the airflow direction was designed, and a single nozzle bench test of cold and hot state verification test was carried out. The measurement adopted 1 f normalized WMS to restrain the rack vibration and the background noise of thermal radiation. The DFB laser in 1 392, 1 469 and 1 343 nm of butterfly package was used. The light output of the three lasers was time-division multiplexing. The absorption lines at 7 185.6, 6 807.83 and 7 444.3 cm-1 of H2O were selected and used in pairs to measure the temperature and H2O concentration in a certain range under the hot state. The DFB laser in 1 654 nm of butterfly package was employed for the measurement of the cold-state CH4 concentration. The laboratory verified the reliability of the measurement system. The CH4 standard gasin the range of 4%~6% was measured and compared with the actual value. The maximum relative deviation of concentration measurement was 3.72%. A temperature step within the range of 900~1 500 K was set in the high-temperature furnace, pure water vapor was filled in, and the temperature measurement value and concentration under different temperatures and pressures set were calculated. The results showed that the maximum relative deviation of temperature measurement was 3.07%, and the maximum relative deviation of water vapor was -2.00%, which reflected the reliability of the measurement system. In the gas turbine experiment, a set of the miniaturized measuring instrument was integrated, and the measurement structure of multi-beam laser transceiver was designed. In the experiment, two electric displacement tables with measuring structure were used to move at intervals of 5 mm and measure the 300 mm×60 mm combustion area in the combustion chamber of a gas turbine so as to obtain the results of hot and cold states under some conditions. By bicubic interpolation, a two-dimensional flow field map with a resolution of 0.5 mm was drawn. The results showed the real state of CH4 and flame distribution in the measurement area. In this paper, a new research method and technical means were proposed for the study of the mixing of fuel and air and the combustion characteristics of gas turbine nozzles.

Keyword: TDLAS; Gas turbine; Wavelength modulation spectroscopy; Flow field diagnosis; Mobile measurement
引言

可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)是利用气体分子在红外光谱区的特征吸收谱信息, 进行待测气体组分浓度、 温度、 气体流速和压力等参数测量。 该技术作为一种非侵入式测量技术具有环境适应性好、 速度快、 灵敏度高等优点, 集成的测量系统简单、 易实现小型化[1, 2]。 TDLAS技术是开展燃烧流场诊断理想的手段之一, 近年来, TDLAS已经在超燃冲压发动机、 旋转爆震发动机、 航天发动机等燃烧器上应用。 例如, 2016年, Kurtz等设计一套TDLAS系统, 选择氧的吸收谱线, 测量了超燃冲压发动机在模拟的低压高空飞行状态的燃烧流场, 测试结果表明系统有良好的热稳定性和足够的信噪比[3]。 2016年, Ron等在激波风洞中对航天器缩比模型点火实验, 研究发现尾焰循环气流温度随模拟高度增加而增加, 并与CFD模拟结果一致[4]。 2016年, Keith等实现旋转爆震发动机时间高分辨原位吸收光谱测量, 研究了空气质量流量、 当量比和空气注入面积对燃烧温度的影响[5]。

目前, 国内外将TDLAS应用到各类燃烧器的研究主要集中在某一位置横截面的场分布重建[6, 7], 流场的诊断主要是燃烧时的火焰状态和温度[8, 9, 10], 研究沿来流方向流场分布状态和冷流燃气分布的工作较少。 本文基于TDLAS的波长调制技术, 针对燃气轮机燃烧室内流场沿气流方向的演化过程测量的需求, 为研究燃烧室内燃料掺混状况, 选用中心波数为6 045.96 cm-1的吸收线测量CH4浓度分布; 为研究不同工况燃料燃烧效果, 选用中心波数分别为7 185.6, 6 807.83和7 444.3 cm-1的吸收线测量H2O浓度和温度分布。 由于不同工况下和沿来流方向分布的温度范围较大, 普通的双线不能满足全尺度测量的需求, 故采用多波长测量的方案。 集成了一套小型化的测量系统, 并在实验室验证测量系统的可靠性。 外场实验设计了一套适合燃气轮机台架实验的测量工装, 搭载在两个组合使用的电动位移台上, 逐点移动5 mm采样, 覆盖300 mm× 60 mm测量区域, 获取约720个测量点的光谱数据。 通过双三次插值的方法[11], 获得测量区域内0.5 mm分辨的二维浓度和温度分布图。 本文提供一种新的燃烧流场诊断研究手法, 为燃气轮机喷嘴燃料、 空气掺混情况和燃烧特性研究提供了新的技术手段。

1 基本原理

TDLAS技术基于Beer-Lambert定律, 频率为ν , 强度为I0(ν )的一束激光穿过目标气体介质后, 包含吸收信息在内的透射光强I(ν )为

I(ν)=I0(ν)exp[-αν]=I0νexp-PXLSTϕν(1)

其中, α ν 为光谱吸光度, P[atm]为环境静压, X为目标吸收气体占总气体的摩尔数比, L[cm]为吸收光程, S(T)[cm-2· atm-1]为吸收线强, ϕ (ν )为积分面积归一化的吸收线型函数。

吸收谱线强度S(T)只与温度T有关, 其关系为

S(T)=S(T0)QT0QTT0Texp-hcE″k1T-1T0·1-exp-hcν0kT1-exp-hcν0kT0(2)

其中, T0为参考温度取296 K, Q(T)为吸收分子的配分函数, h[J· s]为普朗克常数, c[cm· s-1]为光速, k[J· K-1]为玻尔兹曼常数。

波长调制技术常用的方法是将一个高频fm的调制信号叠加到低频扫描信号上, 最终通过电流模块形成激光器注入电流, 实现对激光器出光频率的调制, 再通过在特定频率nfm上的解调获得需要的吸收信息。 当激光器的中心频率 ν̅受到频率为ω =2π fm的正弦波调制时, 其瞬时频率ν (t)可表示为

ν(t)=ν̅+a(t)cos(ωt)+bcos2ωt+θ(3)

其中a(t)=a1t+a0, 为出光频率的调制深度。

激光器的出光强度也受到调制, 出光强度I0(t)可表示为

I0(t)=I̅01+i0cosωt+φ1+i2cos2ωt+φ2(4)

其中 I̅0为平均出光强度, i0和i2分别为线性和非线性的强度调制幅度, φ 1和φ 2为激光器出光频率的相位差。

利用波长调制技术反演流场参数时, 扣除背景的1f归一化2f信号可表示为[12]

S2f/1f-0=X2f(t)R1f-X2f0(t)R1f02+Y2f(t)R1f-Y2f0(t)R1f02(5)

其中X2f和Y2f为数字锁相放大器单通道解调得到的2f的X分量和Y分量, X2f0和 Y2f0为2f的X分量和Y分量的背景信号, R1f和 R1f0为双通道解调得到的1f信号和背景信号。

单线吸收时, S2f/1f-0信号的峰值可近似为

S2f/1f-0≈-1i0STPXLπ∫-π+πϕν+acosθcos2θdθ(6)

根据式(6), 已知气体温度, 目标气体浓度与1f归一化2f信号的峰值为线性关系, 通过建立吸收模型, 将实测与模拟谐波信号的峰值对比, 可计算出浓度, 利用此方法反演CH4浓度, 具体反演流程如图1(a)所示[13]。 温度改变时, 单一吸收线的1f归一化2f信号的峰值随温度非线性变化, 而所选吸收线对的峰值比随温度单调变化, 通过变量轮换迭代的方法可得到待测气体浓度与温度, 利用此方法反演温度和H2O浓度, 具体反演流程如图1(b)所示。

图1 CH4浓度反演(a)、 温度和H2O浓度反演(b)流程图Fig.1 Flow chart of CH4concentration inversion (a), temperature and H2O concentration inversion (b)

2 实验部分

外场实验分为两部分, 包括冷态实验和热态实验。 冷态为未点火状态, 是将一定当量比的燃气和空气混合加热后通入燃烧室, 冷态下的测量需求是不同工况下的CH4浓度。 热态为点火状态, 测量需求是不同工况下的温度和水汽浓度。 为测量燃气轮机燃烧室内流场, 在喷嘴壁上两侧增加了尺寸为300 mm× 60 mm的平行矩形测量视窗, 材质为石英, 需要测量视窗范围内流场的二维分布。

实验搭建了一套如图2所示的TDLAS测量系统, 主要包括分布反馈式(DFB)激光器(日本NEL)、 电子学控制箱、 单模光纤、 多模光纤、 合束器、 分束器、 光纤准直、 探测器(美国GPD)、 U型测量工装、 电动位移台(中国卓立汉光)、 位移台控制箱(中国卓立汉光)以及工控机。 电子学控制箱为独立集成了一套小型化的系统, 内含激光器温度与电流控制、 波长调制信号发生与同步信号、 探测器I/V转换前置放大。 U型测量工装是专门为测量设计的结构, 用于布置光路, 将其固定在两个组合的电动位移台上, 实现竖直和水平移动, 达到扫描测量区域的要求。

CH4浓度测量考虑到在冷态环境下进行, 选用中心波长为1 654 nm的DFB激光器, 选择吸收谱线的中心波数为6 045.96 cm-1。 冷态下, H2O浓度含量较低, 难以实现温度的测量, 在计算CH4浓度时采用实验现场给的出口总温。 热态温度测量, 以燃烧主产物H2O作为目标气体, 选择三条不同低态能级下的吸收谱线, 通过多波长复用的方法实现不同工况下一定温度范围内的测量。 选用三支中心波长分别为1 392, 1 469和1 343 nm的DFB激光器, 对应所选吸收谱线的中心波数分别为Line1: 7 185.59 cm-1, Line2: 6 807.83 cm-1, Line3: 7 444.35/37 cm-1。 根据不同工况以及不同位置采集到原始信号吸收的强弱, 灵活的选用Line1& Line2线对和Line2& Line3线对进行计算。 所选吸收谱线的参数如表1所示。 H2O的三支激光器采用时分复用的出光方案, 扫描频率3 kHz, 调制频率322 kHz。

图2 TDLAS测量系统Fig.2 TDLAS measurement system

表1 所选吸收谱线参数 Table 1 Spectroscopic parameters of selected absorption lines
3 结果与讨论
3.1 实验室系统可靠性验证

实验室中验证H2O温度、 浓度测量系统的可靠性, 在管式高温炉中进行。 高温炉炉膛内充入纯水汽, 光程L=31.8 cm, 每隔100 K设定一个温度台阶, 共设定900~1 500 K范围内7个温度台阶。 计算温度、 浓度时采用如图1(b)所示的变量轮换迭代的方法, 实验室温度、 水汽浓度测量结果如表2所示, 水汽温度、 浓度最大相对相对偏差分别为3.07%和-2.00%。

表2 实验室纯水汽温度和浓度测量结果 Table 2 Temperature and concentration measurement results of pure water vapor in the laboratory

为验证CH4浓度测量的准确性, 利用配气系统将15.04%的CH4标准气体和高纯氮气配置浓度为4%, 4.5%, 5%, 5.5%和6%的CH4样气, 通入长度L=25 cm的吸收池中进行测量, 压力P=1 atm, 温度T=293 K, 测量结果和实际值的最大浓度相对偏差为3.72%。 实验室验证实验表明CH4浓度测量系统和H2O浓度温度测量系统的绝对偏差均在4%以内, 能够满足外场实验的需要, 造成误差的原因主要有配气精度误差和谱线强度误差。

3.2 某型号燃气轮机台架试验结果

外场试验搭建的测量结构如图3所示。 燃气轮机燃烧室不具备吹扫氮气和抽真空的条件, 所以采集实验前一组燃烧室内的信号作为背景信号。 台架上先进行冷态试验, 测量CH4浓度分布, 后进行热态点火试验, 测量温度和H2O浓度分布, 获得若干工况下测量数据。 每个测量点连续采集50次数据, 用于提高信噪比, 选取一组冷态CH4下的原始数据进行解调, 如图4所示。 该状态下, 压力P=0.92 atm, 温度T=567 K。

图3 台架试验照片Fig.3 Picture of field test

图4 CH4原始吸收信号(a)和谐波信号(b)Fig.4 Original absorption signal (a) and harmonic signal (b) of CH4

利用峰值点peak可反演该点的浓度值, 每个工况下的试验获得测量视窗范围内720个点的数据, 分辨率5 mm, 采用双三次插值的方法, 获得分辨率为0.5 mm二维分布图。 图5为某型号喷嘴在A工况下经过插值后绘制的冷态CH4浓度分布, 该工况下当量比为0.6, 图中横坐标和纵坐标表示测量视窗的长和宽, 来流方向自右向左。 所绘的流场图中, 可以看到窗口中上下左右边缘均出现空白的部分, 该现象对实验结果整体反演流场状态影响不大。 具体原因是实际测量过程中, 在窗口边缘和喷嘴附近, 由于存在振动和热膨胀, 导致无法接收到信号, 无信号区域均以空白给出。

某工况下某测量点3支H2O激光器原始吸收信号和解调的扣除背景的2f/1f信号如图6所示, peak1, peak2和peak3是对应所选吸收线的峰值点。 锁定峰值点, 根据实际解调谐波信号的情况选用peak1& peak2或peak2& peak3的峰值点之比即可反演流场温度和浓度。

图5 A工况下当量比为0.6的冷态CH4浓度分布Fig.5 Cold state CH4 concentration districution with equivalent ratio of 0.45 under A condition

图6 水汽原始吸收信号(a)和谐波信号(b)Fig.6 Original absorption signal (a) and harmonic signal (b) of H2O

图7和图8为某型号喷嘴在B工况下经过插值后反演的热态温度分布和热态H2O浓度分布, 该工况下当量比为0.55, 测量区域内温度跨度约1 400~1 800 K, 相对应H2O浓度分布与温度分布一致。

图7 B工况下当量比0.55热态温度分布Fig.7 Hot state temperature distribution with equivalent ratio of 0.55 under B condition

图8 B工况下当量比0.55热态H2O浓度分布Fig.8 Hot state H2O concentration distribution with equivalent ratio of 0.55 under B condition

从上述图中可以看出, 外场实验测量绘制的图像能够很好的反映沿来流方向各组分浓度和温度分布的真实状态以及演化过程, 验证了该测量系统和测量结构在外场实验的实用性。

3.3 误差分析

外场试验中误差主要来源有温度测量误差、 吸收光程误差、 外界气体干扰带来的误差。 温度测量的误差主要存在于冷态下CH4的实验中, 受限于试验场条件, CH4浓度反演采用燃气轮机燃烧室上游热电偶给出的读数, 实际整个CH4流场中温度并不均匀, 燃烧室上下游热电偶读数存在20 K(3.4%)的偏差。 流场不稳定性如流场的抖动和其本身的非均匀性, 会影响光谱信号的信噪比以及使吸收光程产生微量变化从而带来误差。 实际实验中, 由于尾气无法完全引射, 部分甲烷和燃烧产生的水汽会返回到外部暴露的空气段光路, 对冷态甲烷浓度、 温度、 热态气体浓度的计算均造成偏差。

4 结论

基于可调谐半导体激光吸收光谱的波长调制技术, 选用CH4的6 046.96 cm-1的吸收谱线测量燃气轮机燃烧室内冷态下甲烷的浓度。 选用H2O的7 185.6, 6 807.83和7 444.3 cm-1的三条吸收谱线, 测量了燃气轮机点火时的温度和水汽浓度, 与常规的双线测量相比, 通过增加一条吸收线, 满足了测量一定温度范围的需要。 针对空间分布测量的需求, 选择一种新的移动扫描测量的方案, 实现300 mm× 60 mm测量视窗范围内分辨率为5 mm的测量, 通过双三次插值的方法获得分辨率为0.5 mm二维分布图。 实验室可靠性实验中, CH4测量误差小于3.72%, 温度测量误差小于3.07%, 水汽浓度测量误差小于2%, 验证了该测量方法的准确性。 外场冷热态下的对比实验为燃气轮机燃烧效率分析提供了新的技术手段。

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