湯 磊，孟彥濤，黃 勝

應(yīng)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(xué)艦船綜合試驗(yàn)訓(xùn)練基地，武漢 430033；2. 海軍91197部隊(duì)，山東青島 266432；3. 海軍 92771部隊(duì)，山東青島 266432）

針對(duì)某船1號(hào)增壓鍋爐冒黑煙、排溫高、水冷壁及蒸發(fā)管束結(jié)焦嚴(yán)重的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)該型鍋爐燃燒原理和燃料油滴狀態(tài)燃燒時(shí)效分析，發(fā)現(xiàn)主要問(wèn)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(wèn)題導(dǎo)向，從鍋爐配風(fēng)器、噴油器工作機(jī)理研究分析，發(fā)現(xiàn)噴油器穩(wěn)焰器發(fā)生形變，同時(shí)因配油器及增壓渦輪控制系統(tǒng)問(wèn)題，導(dǎo)致風(fēng)油匹配不好、空氣過(guò)余系數(shù)小，進(jìn)一步影響爐內(nèi)燃燒質(zhì)量，通過(guò)檢修相關(guān)部件，故障排除，1號(hào)鍋爐正常工作。

增壓鍋爐 燃燒后移 配風(fēng)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(duì)沖燃燒（見(jiàn)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(jìn)行的?；鹧媸欠稚⑻貏e細(xì)的燃料、空氣和燃燒產(chǎn)物的混合物。此處燃燒過(guò)程的進(jìn)行完全決定于擴(kuò)散過(guò)程的強(qiáng)度。調(diào)風(fēng)裝置和噴油器的協(xié)調(diào)工作應(yīng)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(qiáng)烈，燃油油滴的預(yù)熱和蒸發(fā)迅速，形成的混合物細(xì)微，點(diǎn)燃可燃質(zhì)并將其保持在燃燒基點(diǎn)。而所有這一切均只有在高速進(jìn)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(jìn)程的條件下才能保證。

在鍋爐中，由渦輪增壓機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)利用煙氣的熱能膨脹做功驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)獲得增壓空氣后，經(jīng)配風(fēng)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(fù)荷，提高了煙氣流速，爐內(nèi)輻射和對(duì)流傳熱顯著提高。由于渦輪增壓機(jī)組利用鍋爐燃?xì)庾龉?，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(shí)，對(duì)爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)及燃燒的組織要求更高，對(duì)鍋爐燃燒技術(shù)、運(yùn)行管理要求更為嚴(yán)格[1]。

圖1 鍋爐簡(jiǎn)圖

本文針對(duì)某船1號(hào)增壓鍋爐爐內(nèi)燃燒不完全進(jìn)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(hào)增壓鍋爐在試航過(guò)程中出現(xiàn)冒濃重黑煙，增壓風(fēng)機(jī)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(yán)重，結(jié)焦主要分布在水冷壁和對(duì)流蒸發(fā)管束靠近前墻的幾排管束上，水冷壁上最為嚴(yán)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(duì)流蒸發(fā)管束（靠前墻部分）表面結(jié)焦，部分穿過(guò)對(duì)流蒸發(fā)管束和過(guò)熱蒸汽管束至煙氣凈化器、增壓風(fēng)機(jī)渦輪處燃燒后排出，導(dǎo)致增壓風(fēng)機(jī)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(xì)小顆粒的情況下進(jìn)行的。理想的靜止油滴燃燒是先從周?chē)橘|(zhì)得到熱量，油滴吸熱蒸發(fā)成氣體，油汽與助燃?xì)怏w相互擴(kuò)散混合，達(dá)到著火溫度后開(kāi)始燃燒。在燃燒過(guò)程中油滴內(nèi)部繼續(xù)得到熱量蒸發(fā)，同時(shí)又?jǐn)U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?chē)橘|(zhì)中。

假定這部分熱量用來(lái)蒸發(fā)油滴，則在此時(shí)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(shí)間相差100倍，由此可見(jiàn)燃油霧化質(zhì)量的重要性，燃油霧化質(zhì)量不好，勢(shì)必造成燃油燃燒時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，未燃盡的大燃油顆粒隨著燃燒產(chǎn)物流動(dòng)繼續(xù)燃燒，從而造成燃燒后移[2]。

燃燒設(shè)備是由配風(fēng)器、噴油器、圓錐形穩(wěn)焰器及伺服器組成。風(fēng)口是由耐火材料制成的其內(nèi)框?yàn)殄F形的結(jié)實(shí)厚重的環(huán)。噴油器從調(diào)風(fēng)裝置外與風(fēng)口相連并安裝在軸上。在調(diào)風(fēng)裝置中空氣進(jìn)入風(fēng)口前其橫截面縮小，周邊均勻分布著導(dǎo)流葉片?？諝庠诖诉M(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(qiáng)迫它進(jìn)行移動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行預(yù)熱、蒸發(fā)和燃燒。大顆粒的燃油油滴在其直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中走過(guò)較長(zhǎng)路程到達(dá)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(fēng)器的影響

配風(fēng)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(mǎn)足在一定的過(guò)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(fēng)器都應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

1）必需要有一次風(fēng)。霧化的油滴剛進(jìn)入爐內(nèi)受到中心回流高溫?zé)煔獾挠绊懀绻麤](méi)有相應(yīng)的空氣，就會(huì)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(chēng)為一次風(fēng)，但一次風(fēng)量過(guò)多，則會(huì)影響高溫回流區(qū)的形成，而且一次風(fēng)風(fēng)速過(guò)高，也不利于穩(wěn)定著火。

2）氣流進(jìn)入風(fēng)口要擴(kuò)散。其擴(kuò)散角比噴油器的霧化角略小些為好，否則氣流擴(kuò)散角過(guò)大，會(huì)包住油霧，這樣導(dǎo)致油霧到相當(dāng)距離以后才能擴(kuò)散入氣流，達(dá)不到早起強(qiáng)烈混合的效果。如果氣流擴(kuò)散角小些，空氣可以以較高速度卷入油霧，達(dá)到良好的混合。

噴油器和風(fēng)口的相對(duì)位置要合適。如果噴油器伸入風(fēng)口太前，就會(huì)發(fā)生類(lèi)似氣流擴(kuò)散角過(guò)大的效果。如果噴油器縮在風(fēng)口內(nèi)太后，則會(huì)使部分油霧噴在風(fēng)口內(nèi)壁上，引起風(fēng)口內(nèi)壁結(jié)焦。當(dāng)然噴油器的霧化角也應(yīng)當(dāng)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(jìn)入爐膛充滿(mǎn)煙氣區(qū)域，從而導(dǎo)致不能充分燃燒，只會(huì)高溫分解產(chǎn)生大量煙炱[4]。

3）高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū)的大小和位置也應(yīng)適當(dāng)。高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū)是為了保證燃燒穩(wěn)定，使空氣和油霧的混合物能及時(shí)著火，回流區(qū)過(guò)大，會(huì)使高溫?zé)煔饣亓髌冉鼑娪推髑岸?，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(fēng)器中心位置有一穩(wěn)焰器。其結(jié)構(gòu)是帶有相應(yīng)的傾斜葉片，其進(jìn)風(fēng)是軸向的，一次風(fēng)經(jīng)穩(wěn)焰器后出來(lái)是旋轉(zhuǎn)氣流。經(jīng)穩(wěn)焰器周?chē)臍饬鲃t是二次風(fēng)，屬于直流進(jìn)風(fēng)。二次風(fēng)能直接吹入一次風(fēng)和油霧中，可以得到混合強(qiáng)烈的早期混合，并且二次風(fēng)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(dòng)截止閥，并通過(guò)手動(dòng)打開(kāi)噴油器檢查燃油及霧化蒸汽通路，檢查中未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；并對(duì)該主鍋爐的所有噴油器及備用噴油器進(jìn)行拆檢并在噴油器校驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行校驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

檢查發(fā)現(xiàn)1號(hào)主鍋爐霧化蒸汽壓力為1.8 Kgf/cm2且無(wú)法繼續(xù)調(diào)整，與工作手冊(cè)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?zé)煔夥祷鼗亓鲄^(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(dòng)電動(dòng)燃油泵，接通工作水，機(jī)旁通過(guò)四通控制器打開(kāi)各噴油器，發(fā)現(xiàn)4號(hào)噴油器打開(kāi)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(guò)杠桿傳動(dòng)而打開(kāi)的燃油伺服器未打開(kāi)，造成4號(hào)噴油器工作時(shí)風(fēng)門(mén)雖打開(kāi)，但燃油未噴入爐膛，在此工況下，導(dǎo)致1號(hào)至3號(hào)噴油器前油壓較高，噴油量增大，而通過(guò)配風(fēng)器進(jìn)入的空氣量因4號(hào)噴油器風(fēng)門(mén)打開(kāi)而相對(duì)（噴油量）減少，造成在1號(hào)至3號(hào)噴油器火炬的混合物準(zhǔn)備階段，噴油器出口的油霧和來(lái)自配風(fēng)器的新鮮空氣初步混合時(shí)，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(jìn)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(jìn)入排煙通道，同時(shí)因4號(hào)噴油器風(fēng)門(mén)已打開(kāi)，部分新鮮空氣直接進(jìn)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(duì)1號(hào)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(cè)量值偏高，導(dǎo)致增壓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較2號(hào)主鍋爐偏低，鍋爐供風(fēng)量偏少，空氣的過(guò)余系數(shù)偏低。

檢查1號(hào)主鍋爐各噴油器穩(wěn)燃器，發(fā)現(xiàn)1號(hào)2號(hào)噴油器穩(wěn)燃器局部變形，導(dǎo)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(guò)對(duì)1號(hào)2號(hào)噴油器穩(wěn)燃器的校正修理后燃燒正常。

3 結(jié)束語(yǔ)

鍋爐爐膛中的燃燒主要是燃料與助燃劑（空氣）參與的化學(xué)反應(yīng)。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(shí)空氣過(guò)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(fù)后，鍋爐正常工作。

[1] 周?chē)?guó)義. 艦用鍋爐原理[M]. 武漢：海軍工程大學(xué)，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(xué), 2007: 28-44.

[3] 周?chē)?guó)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(guó)修船，2013，26(3): 26-28.

[4] 周?chē)?guó)義. 艦用動(dòng)力裝置自動(dòng)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(dòng)力工程、職業(yè)訓(xùn)練。E-mail：52641358@qq.com