Resumen de Flame transfer function: description, interpretation and use for prediction and control of thermoacoustic instabilities in premixed methane and biogas flames
Las inestabilidades termoacústicas han cobrado gran importancia en el campo de las turbinas de gas desde que la combustión de premezcla pobre se convirtió en la tecnología de combustión predominante en este tipo de plantas. Esta estrategia de combustión permite reducir considerablemente las emisiones de gases contaminantes; sin embargo, el empobrecimiento de las llamas aumenta la probabilidad de generar inestabilidades dinámicas provocadas por el acoplamiento constructivo entre la fluctuación de calor desprendido por la llama y el campo acústico del quemador.
La función de transferencia de la llama (Flame Transfer Function, FTF) representa la respuesta de la llama, en el rango lineal, a excitaciones acústicas, y constituye un elemento fundamental para analizar los fenómenos termoacústicos. Este trabajo investiga diversas facetas de la FTF, desde su descripción e interpretación hasta su uso para la predicción y el control de inestabilidades de llama.
La primera parte presenta un método novedoso para procesar imágenes de llama filtradas en bandas de quimioluminiscencia, que se ha denominado “Cross-Correlation Mapping Method” (CCM). Este método permite describir la contribución local de cada parte de la llama a la formación de la FTF global. Este procesado de imágenes ha sido desarrollado teóricamente y posteriormente validado mediante ensayos específicos. La investigación ha revelado un alto potencial del CCM para la interpretación, tanto cuantitativa como cualitativa, de los fenómenos que generan la dinámica de las llamas analizadas.
En la segunda parte, la FTF ha sido utilizada como datos de entrada para un modelo termoacústico simplificado de un quemador, también conocido con el nombre de “ecuación de dispersión”. El objetivo era analizar la validez de la respuesta lineal de la llama para la predicción de los modos inestables del sistema, condiciones en las cuales la respuesta de la llama resulta extremadamente no lineal. Para este análisis se ha llevado a cabo un amplio estudio experimental, variando sistemáticamente ciertos parámetros de operación, con el objetivo de estudiar condiciones de fuerte inestabilidad auto-inducida (ciclo límite). Los modos identificados por el modelo presentan una buena correspondencia con los registrados experimentalmente, demostrando que la FTF puede utilizarse para predecir los modos inestables de un quemador. Dado que la FTF está descrita por una única curva, esto representa una notable simplificación en términos de coste computacional y experimental respecto al uso de la FDF (Flame Describing Function), que requiere la generación y utilización de una familia de curvas.
La tercera y última parte de este estudio se centra en el desarrollo de un novedoso sistema de control, llamado pseudo-active instability control (PAIC). Su funcionamiento se basa en los principios de sistemas de control activos (inyección fluctuante de combustible secundario modulada por un elemento activo), con la diferencia de que el PAIC está formado únicamente por elementos puramente pasivos; de esta manera, este nuevo concepto podría combinar las ventajas de ambos sistemas de control. En este trabajo se ha desarrollado una primera evaluación del funcionamiento del PAIC, siendo la mayor dificultad encontrada en el estudio la definición de la FTF de la llama piloto utilizada para controlar las inestabilidades. Aunque la definición de la FTF de la llama piloto resulte de fundamental importancia para el diseño de un sistema PAIC, el análisis muestra un alto potencial del concepto propuesto para amortiguar las inestabilidades generadas en quemadores de premezcla pobre.
Un valor añadido de este trabajo reside en el análisis de la respuesta dinámica de llamas de metano y biogás. Mientras que las primeras han sido analizadas en un gran número de estudios, la información disponible sobre llamas de biogás es muy escasa. En particular, no se ha encontrado en literatura ningún estudio que analice la FTF asociada a la respuesta dinámica de una llama de biogás. Este trabajo recoge un análisis detallado de la dinámica de llamas de biogás, comparándola con la de llamas de metano para una amplia variedad de condiciones de operación.
La mayor parte de la información presentada en esta tesis se ha publicado en cinco artículos científicos firmados por el autor (y por varios coautores) en revistas y congresos internacionales.
