某型船用增压锅炉燃烧后移原因及排除

汤 磊，孟彦涛，黄 胜

应用研究

某型船用增压锅炉燃烧后移原因及排除

汤 磊1，孟彦涛2，黄 胜3

（1. 海军工程大学舰船综合试验训练基地，武汉 430033；2. 海军91197部队，山东青岛 266432；3. 海军 92771部队，山东青岛 266432）

针对某船1号增压锅炉冒黑烟、排温高、水冷壁及蒸发管束结焦严重的现象，通过对该型锅炉燃烧原理和燃料油滴状态燃烧时效分析，发现主要问题在于燃料雾化不佳，存在炉内燃烧不完全、燃烧后移现象。根据问题导向，从锅炉配风器、喷油器工作机理研究分析，发现喷油器稳焰器发生形变，同时因配油器及增压涡轮控制系统问题，导致风油匹配不好、空气过余系数小，进一步影响炉内燃烧质量，通过检修相关部件，故障排除，1号锅炉正常工作。

增压锅炉 燃烧后移 配风器 喷油器

0 引言

某型增压锅炉采用D型布置、单炉膛单烟道、燃烧器前后墙布置、对冲燃烧（见图1）。锅炉炉膛里的燃烧是在燃烧设备后面附近的火焰中进行的。火焰是分散特别细的燃料、空气和燃烧产物的混合物。此处燃烧过程的进行完全决定于扩散过程的强度。调风装置和喷油器的协调工作应该保证燃油与氧化剂的比例最佳，燃油油滴在空气流中分布均匀，燃烧产物与冷燃油空气流的热交换强烈，燃油油滴的预热和蒸发迅速，形成的混合物细微，点燃可燃质并将其保持在燃烧基点。而所有这一切均只有在高速进行燃烧，燃油充分燃烧，稳定燃烧，为调节热功率而能够改变进程的条件下才能保证。

在锅炉中，由涡轮增压机组燃气轮机利用烟气的热能膨胀做功驱动压气机旋转获得增压空气后，经配风器送入锅炉炉膛供燃油燃烧。由于增压锅炉内具有很高的压力，增加了炉膛容积热负荷，提高了烟气流速，炉内辐射和对流传热显著提高。由于涡轮增压机组利用锅炉燃气做功，降低了锅炉排烟温度，提高了锅炉热效率。与非增压锅炉相比尺寸重量也大为减小。同时，对炉内空气动力场及燃烧的组织要求更高，对锅炉燃烧技术、运行管理要求更为严格[1]。

图1 锅炉简图

本文针对某船1号增压锅炉炉内燃烧不完全进行原因分析，提出了解决方案。

1 燃烧后移现象及影响

某船1号增压锅炉在试航过程中出现冒浓重黑烟，增压风机涡壳颜色略微发红，排烟温度明显升高的现象。

停炉检查发现炉膛内部结焦严重，结焦主要分布在水冷壁和对流蒸发管束靠近前墙的几排管束上，水冷壁上最为严重。从结焦、炉膛及烟气净化器检查情况看，初步判断为喷油器雾化不良，未完全燃烧的燃油部分在水冷壁和对流蒸发管束（靠前墙部分）表面结焦，部分穿过对流蒸发管束和过热蒸汽管束至烟气净化器、增压风机涡轮处燃烧后排出，导致增压风机涡壳温度异常升高。

2 燃烧后移现象原因分析

2.1 油滴燃烧原理

该型锅炉的燃料采用重油，重油的燃烧依靠蒸汽雾化成许多细小颗粒的情况下进行的。理想的静止油滴燃烧是先从周围介质得到热量，油滴吸热蒸发成气体，油汽与助燃气体相互扩散混合，达到着火温度后开始燃烧。在燃烧过程中油滴内部继续得到热量蒸发，同时又扩散油汽和包围着油滴的空气相混合，继续燃烧，燃烧所形成的烟气排入到周围介质中。

假定这部分热量用来蒸发油滴，则在此时间内汽化油滴的热量为：

令两式相等，积分整理后得出：

可以看出，油滴直径大小相差10倍，则它们各自燃尽所需的时间相差100倍，由此可见燃油雾化质量的重要性，燃油雾化质量不好，势必造成燃油燃烧时间过长，未燃尽的大燃油颗粒随着燃烧产物流动继续燃烧，从而造成燃烧后移[2]。

燃烧设备是由配风器、喷油器、圆锥形稳焰器及伺服器组成。风口是由耐火材料制成的其内框为锥形的结实厚重的环。喷油器从调风装置外与风口相连并安装在轴上。在调风装置中空气进入风口前其横截面缩小，周边均匀分布着导流叶片。空气在此进行旋转运动。有旋空气射流穿透从喷嘴口与空气提供方向成一定角度流出的燃油油滴流并与之混合，强迫它进行移动旋转运动并在运动过程中进行预热、蒸发和燃烧。大颗粒的燃油油滴在其直线运动中走过较长路程到达旋流的边界，并在此或者在火焰的尾部或者燃尽区燃尽[3]。出现冒黑烟以及燃烧后移的现象主要是由于燃料燃烧不充分造成的。

2.2 配风器的影响

配风器是燃油设备的主要部件，它不仅要求输入一定的助燃空气量，保证燃烧所需，还要求能更好地混合已经雾化的油滴，满足在一定的过量空气条件下稳定和迅速的燃烧，尽量在炉膛范围内燃尽。任何配风器都应满足以下要求：

1）必需要有一次风。雾化的油滴刚进入炉内受到中心回流高温烟气的影响，如果没有相应的空气，就会引起高温分解，产生大量烟炱，因此要在刚出喷油器的油雾中混入少量空气。这种空气称为一次风，但一次风量过多，则会影响高温回流区的形成，而且一次风风速过高，也不利于稳定着火。

2）气流进入风口要扩散。其扩散角比喷油器的雾化角略小些为好，否则气流扩散角过大，会包住油雾，这样导致油雾到相当距离以后才能扩散入气流，达不到早起强烈混合的效果。如果气流扩散角小些，空气可以以较高速度卷入油雾，达到良好的混合。

喷油器和风口的相对位置要合适。如果喷油器伸入风口太前，就会发生类似气流扩散角过大的效果。如果喷油器缩在风口内太后，则会使部分油雾喷在风口内壁上，引起风口内壁结焦。当然喷油器的雾化角也应当合适，雾化角太小，油雾不能充分混入气流。雾化角太大，部分油滴可能超出气流边界进入炉膛充满烟气区域，从而导致不能充分燃烧，只会高温分解产生大量烟炱[4]。

3）高温烟气回流区的大小和位置也应适当。高温烟气回流区是为了保证燃烧稳定，使空气和油雾的混合物能及时着火，回流区过大，会使高温烟气回流迫近喷油器前端，以致喷出的油雾不能完成早期的混合就分解，造成喷油器口结焦。

该主锅炉使用的配风器中心位置有一稳焰器。其结构是带有相应的倾斜叶片，其进风是轴向的，一次风经稳焰器后出来是旋转气流。经稳焰器周围的气流则是二次风，属于直流进风。二次风能直接吹入一次风和油雾中，可以得到混合强烈的早期混合，并且二次风直流也有利于燃烧后期的混合作用。

2.3 解决方法

检查燃油和雾化蒸汽系统管路和手动截止阀，并通过手动打开喷油器检查燃油及雾化蒸汽通路，检查中未发现问题；并对该主锅炉的所有喷油器及备用喷油器进行拆检并在喷油器校验台进行校验，未发现问题。

检查发现1号主锅炉雾化蒸汽压力为1.8 Kgf/cm2且无法继续调整，与工作手册上要求的雾化蒸汽压力值偏差较大。因该主锅炉雾化蒸汽压力偏低造成喷油器喷出的燃油雾化不好，存在大量燃油液滴，减少了燃油与空气的接触面积，在火炬的高温烟气返回回流区加热气化情况变差，混合气燃烧速度变慢，在火炬的行程里未完全燃烧。

启动电动燃油泵，接通工作水，机旁通过四通控制器打开各喷油器，发现4号喷油器打开后喷油器前压力未变化，检查喷油器工作水伺服器顶杆已伸出但伸出尺寸不够，通过杠杆传动而打开的燃油伺服器未打开，造成4号喷油器工作时风门虽打开，但燃油未喷入炉膛，在此工况下，导致1号至3号喷油器前油压较高，喷油量增大，而通过配风器进入的空气量因4号喷油器风门打开而相对（喷油量）减少，造成在1号至3号喷油器火炬的混合物准备阶段，喷油器出口的油雾和来自配风器的新鲜空气初步混合时，空气量偏少，在火炬燃烧的行程中末端供氧不足，造成燃油燃烧进一步恶化，加重了锅炉燃烧不充分的情况，使大量未燃烧的液滴进入排烟通道，同时因4号喷油器风门已打开，部分新鲜空气直接进入炉膛，与未完全燃烧的燃油在炉膛外部分燃烧，使燃烧后移。

对1号主锅炉烟气压差传感器及烟气脉冲通道检查，发现烟气压差传感器工作正常，烟气脉冲管路部分脏堵，造成烟气压差测量值偏高，导致增压风机转速较2号主锅炉偏低，锅炉供风量偏少，空气的过余系数偏低。

检查1号主锅炉各喷油器稳燃器，发现1号2号喷油器稳燃器局部变形，导致火炬低压区的形变，不利于燃油与空气混合物的气化，造成燃烧的不充分。通过对1号2号喷油器稳燃器的校正修理后燃烧正常。

3 结束语

锅炉炉膛中的燃烧主要是燃料与助燃剂（空气）参与的化学反应。由于喷油器稳燃器发生变形，燃料与空气混合不充分，同时空气过余系数变小，大量油滴直接喷入水冷壁及蒸发管束内燃烧，发生燃烧后移现象。维修恢复后，锅炉正常工作。

[1] 周国义. 舰用锅炉原理[M]. 武汉：海军工程大学，2007. 09.

[2] 彭泽均. 船用增压锅炉燃烧的数值模拟[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学, 2007: 28-44.

[3] 周国义, 李军华, 杜飞. 增压锅炉燃烧熄火原因分析及解决方案[J]. 中国修船，2013，26(3): 26-28.

[4] 周国义. 舰用动力装置自动调节与控制[M]. 北京: 海军司令部, 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

汤磊(1982-)，男，讲师。研究方向：舰船动力工程、职业训练。E-mail：52641358@qq.com