某型船用增壓鍋爐燃燒后移原因及排除

湯 磊，孟彥濤，黃 勝

應用研究

某型船用增壓鍋爐燃燒后移原因及排除

湯 磊1，孟彥濤2，黃 勝3

（1. 海軍工程大學艦船綜合試驗訓練基地，武漢 430033；2. 海軍91197部隊，山東青島 266432；3. 海軍 92771部隊，山東青島 266432）

針對某船1號增壓鍋爐冒黑煙、排溫高、水冷壁及蒸發(fā)管束結(jié)焦嚴重的現(xiàn)象，通過對該型鍋爐燃燒原理和燃料油滴狀態(tài)燃燒時效分析，發(fā)現(xiàn)主要問題在于燃料霧化不佳，存在爐內(nèi)燃燒不完全、燃燒后移現(xiàn)象。根據(jù)問題導向，從鍋爐配風器、噴油器工作機理研究分析，發(fā)現(xiàn)噴油器穩(wěn)焰器發(fā)生形變，同時因配油器及增壓渦輪控制系統(tǒng)問題，導致風油匹配不好、空氣過余系數(shù)小，進一步影響爐內(nèi)燃燒質(zhì)量，通過檢修相關(guān)部件，故障排除，1號鍋爐正常工作。

增壓鍋爐 燃燒后移 配風器 噴油器

0 引言

某型增壓鍋爐采用D型布置、單爐膛單煙道、燃燒器前后墻布置、對沖燃燒（見圖1）。鍋爐爐膛里的燃燒是在燃燒設(shè)備后面附近的火焰中進行的。火焰是分散特別細的燃料、空氣和燃燒產(chǎn)物的混合物。此處燃燒過程的進行完全決定于擴散過程的強度。調(diào)風裝置和噴油器的協(xié)調(diào)工作應該保證燃油與氧化劑的比例最佳，燃油油滴在空氣流中分布均勻，燃燒產(chǎn)物與冷燃油空氣流的熱交換強烈，燃油油滴的預熱和蒸發(fā)迅速，形成的混合物細微，點燃可燃質(zhì)并將其保持在燃燒基點。而所有這一切均只有在高速進行燃燒，燃油充分燃燒，穩(wěn)定燃燒，為調(diào)節(jié)熱功率而能夠改變進程的條件下才能保證。

在鍋爐中，由渦輪增壓機組燃氣輪機利用煙氣的熱能膨脹做功驅(qū)動壓氣機旋轉(zhuǎn)獲得增壓空氣后，經(jīng)配風器送入鍋爐爐膛供燃油燃燒。由于增壓鍋爐內(nèi)具有很高的壓力，增加了爐膛容積熱負荷，提高了煙氣流速，爐內(nèi)輻射和對流傳熱顯著提高。由于渦輪增壓機組利用鍋爐燃氣做功，降低了鍋爐排煙溫度，提高了鍋爐熱效率。與非增壓鍋爐相比尺寸重量也大為減小。同時，對爐內(nèi)空氣動力場及燃燒的組織要求更高，對鍋爐燃燒技術(shù)、運行管理要求更為嚴格[1]。

圖1 鍋爐簡圖

本文針對某船1號增壓鍋爐爐內(nèi)燃燒不完全進行原因分析，提出了解決方案。

1 燃燒后移現(xiàn)象及影響

某船1號增壓鍋爐在試航過程中出現(xiàn)冒濃重黑煙，增壓風機渦殼顏色略微發(fā)紅，排煙溫度明顯升高的現(xiàn)象。

停爐檢查發(fā)現(xiàn)爐膛內(nèi)部結(jié)焦嚴重，結(jié)焦主要分布在水冷壁和對流蒸發(fā)管束靠近前墻的幾排管束上，水冷壁上最為嚴重。從結(jié)焦、爐膛及煙氣凈化器檢查情況看，初步判斷為噴油器霧化不良，未完全燃燒的燃油部分在水冷壁和對流蒸發(fā)管束（靠前墻部分）表面結(jié)焦，部分穿過對流蒸發(fā)管束和過熱蒸汽管束至煙氣凈化器、增壓風機渦輪處燃燒后排出，導致增壓風機渦殼溫度異常升高。

2 燃燒后移現(xiàn)象原因分析

2.1 油滴燃燒原理

該型鍋爐的燃料采用重油，重油的燃燒依靠蒸汽霧化成許多細小顆粒的情況下進行的。理想的靜止油滴燃燒是先從周圍介質(zhì)得到熱量，油滴吸熱蒸發(fā)成氣體，油汽與助燃氣體相互擴散混合，達到著火溫度后開始燃燒。在燃燒過程中油滴內(nèi)部繼續(xù)得到熱量蒸發(fā)，同時又擴散油汽和包圍著油滴的空氣相混合，繼續(xù)燃燒，燃燒所形成的煙氣排入到周圍介質(zhì)中。

假定這部分熱量用來蒸發(fā)油滴，則在此時間內(nèi)汽化油滴的熱量為：

令兩式相等，積分整理后得出：

可以看出，油滴直徑大小相差10倍，則它們各自燃盡所需的時間相差100倍，由此可見燃油霧化質(zhì)量的重要性，燃油霧化質(zhì)量不好，勢必造成燃油燃燒時間過長，未燃盡的大燃油顆粒隨著燃燒產(chǎn)物流動繼續(xù)燃燒，從而造成燃燒后移[2]。

燃燒設(shè)備是由配風器、噴油器、圓錐形穩(wěn)焰器及伺服器組成。風口是由耐火材料制成的其內(nèi)框為錐形的結(jié)實厚重的環(huán)。噴油器從調(diào)風裝置外與風口相連并安裝在軸上。在調(diào)風裝置中空氣進入風口前其橫截面縮小，周邊均勻分布著導流葉片。空氣在此進行旋轉(zhuǎn)運動。有旋空氣射流穿透從噴嘴口與空氣提供方向成一定角度流出的燃油油滴流并與之混合，強迫它進行移動旋轉(zhuǎn)運動并在運動過程中進行預熱、蒸發(fā)和燃燒。大顆粒的燃油油滴在其直線運動中走過較長路程到達旋流的邊界，并在此或者在火焰的尾部或者燃盡區(qū)燃盡[3]。出現(xiàn)冒黑煙以及燃燒后移的現(xiàn)象主要是由于燃料燃燒不充分造成的。

2.2 配風器的影響

配風器是燃油設(shè)備的主要部件，它不僅要求輸入一定的助燃空氣量，保證燃燒所需，還要求能更好地混合已經(jīng)霧化的油滴，滿足在一定的過量空氣條件下穩(wěn)定和迅速的燃燒，盡量在爐膛范圍內(nèi)燃盡。任何配風器都應滿足以下要求：

1）必需要有一次風。霧化的油滴剛進入爐內(nèi)受到中心回流高溫煙氣的影響，如果沒有相應的空氣，就會引起高溫分解，產(chǎn)生大量煙炱，因此要在剛出噴油器的油霧中混入少量空氣。這種空氣稱為一次風，但一次風量過多，則會影響高溫回流區(qū)的形成，而且一次風風速過高，也不利于穩(wěn)定著火。

2）氣流進入風口要擴散。其擴散角比噴油器的霧化角略小些為好，否則氣流擴散角過大，會包住油霧，這樣導致油霧到相當距離以后才能擴散入氣流，達不到早起強烈混合的效果。如果氣流擴散角小些，空氣可以以較高速度卷入油霧，達到良好的混合。

噴油器和風口的相對位置要合適。如果噴油器伸入風口太前，就會發(fā)生類似氣流擴散角過大的效果。如果噴油器縮在風口內(nèi)太后，則會使部分油霧噴在風口內(nèi)壁上，引起風口內(nèi)壁結(jié)焦。當然噴油器的霧化角也應當合適，霧化角太小，油霧不能充分混入氣流。霧化角太大，部分油滴可能超出氣流邊界進入爐膛充滿煙氣區(qū)域，從而導致不能充分燃燒，只會高溫分解產(chǎn)生大量煙炱[4]。

3）高溫煙氣回流區(qū)的大小和位置也應適當。高溫煙氣回流區(qū)是為了保證燃燒穩(wěn)定，使空氣和油霧的混合物能及時著火，回流區(qū)過大，會使高溫煙氣回流迫近噴油器前端，以致噴出的油霧不能完成早期的混合就分解，造成噴油器口結(jié)焦。

該主鍋爐使用的配風器中心位置有一穩(wěn)焰器。其結(jié)構(gòu)是帶有相應的傾斜葉片，其進風是軸向的，一次風經(jīng)穩(wěn)焰器后出來是旋轉(zhuǎn)氣流。經(jīng)穩(wěn)焰器周圍的氣流則是二次風，屬于直流進風。二次風能直接吹入一次風和油霧中，可以得到混合強烈的早期混合，并且二次風直流也有利于燃燒后期的混合作用。

2.3 解決方法

檢查燃油和霧化蒸汽系統(tǒng)管路和手動截止閥，并通過手動打開噴油器檢查燃油及霧化蒸汽通路，檢查中未發(fā)現(xiàn)問題；并對該主鍋爐的所有噴油器及備用噴油器進行拆檢并在噴油器校驗臺進行校驗，未發(fā)現(xiàn)問題。

檢查發(fā)現(xiàn)1號主鍋爐霧化蒸汽壓力為1.8 Kgf/cm2且無法繼續(xù)調(diào)整，與工作手冊上要求的霧化蒸汽壓力值偏差較大。因該主鍋爐霧化蒸汽壓力偏低造成噴油器噴出的燃油霧化不好，存在大量燃油液滴，減少了燃油與空氣的接觸面積，在火炬的高溫煙氣返回回流區(qū)加熱氣化情況變差，混合氣燃燒速度變慢，在火炬的行程里未完全燃燒。

啟動電動燃油泵，接通工作水，機旁通過四通控制器打開各噴油器，發(fā)現(xiàn)4號噴油器打開后噴油器前壓力未變化，檢查噴油器工作水伺服器頂桿已伸出但伸出尺寸不夠，通過杠桿傳動而打開的燃油伺服器未打開，造成4號噴油器工作時風門雖打開，但燃油未噴入爐膛，在此工況下，導致1號至3號噴油器前油壓較高，噴油量增大，而通過配風器進入的空氣量因4號噴油器風門打開而相對（噴油量）減少，造成在1號至3號噴油器火炬的混合物準備階段，噴油器出口的油霧和來自配風器的新鮮空氣初步混合時，空氣量偏少，在火炬燃燒的行程中末端供氧不足，造成燃油燃燒進一步惡化，加重了鍋爐燃燒不充分的情況，使大量未燃燒的液滴進入排煙通道，同時因4號噴油器風門已打開，部分新鮮空氣直接進入爐膛，與未完全燃燒的燃油在爐膛外部分燃燒，使燃燒后移。

對1號主鍋爐煙氣壓差傳感器及煙氣脈沖通道檢查，發(fā)現(xiàn)煙氣壓差傳感器工作正常，煙氣脈沖管路部分臟堵，造成煙氣壓差測量值偏高，導致增壓風機轉(zhuǎn)速較2號主鍋爐偏低，鍋爐供風量偏少，空氣的過余系數(shù)偏低。

檢查1號主鍋爐各噴油器穩(wěn)燃器，發(fā)現(xiàn)1號2號噴油器穩(wěn)燃器局部變形，導致火炬低壓區(qū)的形變，不利于燃油與空氣混合物的氣化，造成燃燒的不充分。通過對1號2號噴油器穩(wěn)燃器的校正修理后燃燒正常。

3 結(jié)束語

鍋爐爐膛中的燃燒主要是燃料與助燃劑（空氣）參與的化學反應。由于噴油器穩(wěn)燃器發(fā)生變形，燃料與空氣混合不充分，同時空氣過余系數(shù)變小，大量油滴直接噴入水冷壁及蒸發(fā)管束內(nèi)燃燒，發(fā)生燃燒后移現(xiàn)象。維修恢復后，鍋爐正常工作。

[1] 周國義. 艦用鍋爐原理[M]. 武漢：海軍工程大學，2007. 09.

[2] 彭澤均. 船用增壓鍋爐燃燒的數(shù)值模擬[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學, 2007: 28-44.

[3] 周國義, 李軍華, 杜飛. 增壓鍋爐燃燒熄火原因分析及解決方案[J]. 中國修船，2013，26(3): 26-28.

[4] 周國義. 艦用動力裝置自動調(diào)節(jié)與控制[M]. 北京: 海軍司令部, 2002. 06.

Causes and elimination of combustion backward shift of a certain type of marine supercharged boiler

Tang Lei1, Meng Yantao2, Huang Sheng3

(1. Ship Comprehensive Test and Training Base, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China；2. Navy 91197 Troops, Qingdao 266432, Shandong, China; 3. Navy 92771 Troops, Qingdao 266432, Shandong, China)

U664.5

A

1003-4862（2023）12-0074-03

2023-06-23

湯磊(1982-)，男，講師。研究方向：艦船動力工程、職業(yè)訓練。E-mail：52641358@qq.com