增压器原理及故障分析.doc

内容摘要摘要：“育鲲”轮燃油锅炉为PLC控制的新型燃油锅炉，其燃烧控制流程与普通的锅炉有不同。论文介绍了“育鲲”燃油锅炉系统及主要附件，并着重对锅炉的实际操作和燃烧控制进行了分析和描述。结合扎克牌燃油锅炉燃油温度和转杯参数的分析，根据理论和实际操作，采取有效的方法消除了锅炉运行中出现的故障，最后给出锅炉燃烧控制的注意事项。关键字：燃油锅炉 燃烧控制 燃油温度 转杯ABSTRACT: M/V YUKUN si equipped with a new type of oil boiler controlled by PLC,the firing control procedures differ from the commom ones.This thesis introduces the oil boiler systern and the main atachments, emphasizely discribes and analizes the practical operating and firing control.Centering on the data of oli temperature and the rotart cup of Saacke oil bioler ,based on the theory and practical operation,this thesis remedies the problems with effective measures,and finally summarizes some maintenace precautions on firing control.Keywords: oil boiler firing control fuel oil temperature rotary cup 目录前言31 锅炉系统简介32 燃油锅炉设备及系统42.1 燃油锅炉本体架构42.2 燃油锅炉主要附件62.3 锅炉燃油设备及系统83燃油锅炉燃烧控制83.1燃油锅炉基本工作过程及油路83.2燃油锅炉燃烧控制流程图104 实际运行故障及分析124.1燃油加热温度的确定124.2 转杯探出长度的确定144.3注意事项154.3.1 准备启动锅炉时的注意事项：154.3.2 燃烧过程中的注意事项：165 总结16“育鲲”轮辅锅炉燃烧控制及故障分析前言锅炉是以柴油机为主动力船上的重要设备之一。从第一艘蒸汽动力船舶开始，锅炉是船上不可或缺的设备。从一开始提供主动力，到现在成为绝大多数船舶辅锅炉，只有少数油船从安全的角度考虑仍然使用主锅炉作为主动力装置，锅炉经历了从一开始以煤炭为燃料的锅炉到现在的燃油锅炉，从普通烟管锅炉到现在效率更高的针形管和的水管锅炉，从手动控制到现在的自动控制等的一系列变革。随着现代科技的进步，现在船舶上广泛使用的辅锅炉其自动化已经达到了很高的程度。锅炉的燃烧控制是锅炉控制的核心部分，也是轮机管理人员必须掌握的基本技能与知识。1 锅炉系统简介锅炉是船舶动力装置的重要组成部分，它通过燃烧燃料（一般为重油），将其化学能转化为热能，使锅炉内的水变成蒸汽或热水。在以蒸汽轮机为主动力的船舶上，锅炉产生的过热蒸汽用于驱动船舶，称为主锅炉。该种形式的锅炉在商船上已很少使用，在柴油机为主机的船舶上，如“育鲲”轮，锅炉产生的饱和蒸汽仅用于加热燃油、滑油以及满足船舶日常生活使用，称为辅锅炉。锅炉的主要性能指标主要包括蒸发量、蒸汽参数、效率、受热面积、蒸发率和炉膛溶剂热负荷等。“育鲲”轮锅炉系统由燃油锅炉和废气锅炉组成。通常二者的组合方式有三种：1.废气锅炉和燃油锅炉独立独立 2.废气锅炉作为燃油锅炉的一个附加受热面 3.组合式锅炉。“育鲲”采用的是第二种方式。锅炉给水泵将来自热水井的水送至燃油锅炉，锅炉强制循环泵再将燃油锅炉中的水送至废气锅炉，使之加热蒸发，并将汽水混合物压回燃油锅炉汽腔，进行汽水分离。蒸汽最终由燃油锅炉的主蒸汽阀输出。航行途中若废气锅炉的蒸发量无法满足全船需求，蒸汽压力低于燃油锅炉的启动压力时，燃油锅炉会自动投入使用。2 燃油锅炉设备及系统2.1 燃油锅炉本体架构一般地，锅炉本体包括炉膛、蒸发受热面、水腔和蒸汽空间等。传统的锅炉主要有两种类型：烟管锅炉和水管锅炉。若燃油燃烧的燃气在受热面管道内流动，管外是水，则为烟管锅炉。若锅炉受热面管内流动的是水或汽水混合物，而燃气在外面流动，则为水管锅炉。近年来，新型的针形管锅炉在船上得到广泛应用。“育鲲”轮采用的便是德国生产的SAACKE KLN/VM-2.5/7型针形管燃油锅炉。其结构如图1所示。图1 “育鲲”轮燃油锅炉的本体结构 1.烟箱2.主蒸汽阀接口3.炉膛4.烟管5.针形管6.隔热层7.烟囱8.水位计接口9.安全阀接口10.锅壳11.炉膛底板12.耐火层13.下排污口14.炉膛冲洗水泄放口15.泥渣孔16.人孔 17.火焰观察镜18.锅炉给水接口A.蒸汽空间B.水空间C.燃烧器接口该锅炉的圆筒形外壳（汽水空间）中大部分为水腔，在下部，上方为蒸汽空间，其下部设有圆筒形的炉膛。炉膛底板焊接在本体上，其上覆盖有耐火层。在炉膛顶部和汽水空间内有6根垂直的烟管，烟管内部共有6个针形管，每个烟管和其内部的针形管形成一个单元。流经各烟管的燃气最终汇聚到烟箱，然后经过顶部的烟囱排至大气中。为减少锅炉的散热损失，防止人员烫伤，并降低周围的环境温度，锅炉的外部覆盖有隔热层，并在其外部用铁片罩起来。锅炉本体的外面有若干接口，分别用来连接不同的附件，如主蒸汽阀接口、水位计接口、安全阀接口和给水接口等。此外，锅炉的底部还有下排污口和炉膛烟灰冲洗水泄放口。锅炉本体上还有一些用于内部检查和清洁水腔的部件，如定期清理水腔内部沉积泥沙的泥渣孔，对烟箱进行检查和清洁的人孔和火焰观察孔等。针形管锅炉是在立式烟管锅炉的基础上发展而来，保留着烟管锅炉的一些特点。如以容积较大的锅壳存水，炉膛中的热传递方式主要为热辐射等。同原来的立式烟管锅炉相比，针形管的通过外壁上焊接的许多细长的铜针，大大增加了换热面积，使换热效率得到很大提高。针形管本体是无缝钢管，上端通蒸汽空间，下端通水空间。在水恻，炉膛和换热壁面的水被加热，产生气泡，含气泡的水密度相对较低，迅速上升，在蒸汽空间实现汽水分离，其余的水从下方流过来补充，形成自然循环。而针形管的这种结构，更能保证其内部的炉水从下部的水空间流入上部的蒸汽空间，形成良好的自然循环。一个针形管可以顶替很多根烟管，有助于提高蒸发率，缩小锅炉体积。“育鲲”轮上的燃油锅炉，约有50%的热量来自热辐射，其余的热量则来自针形管的热对流。表1.“育鲲”轮燃油锅炉主要性能指标序号性能指标参数1 锅炉数量1台2针形管数量6根3锅炉负荷100%4蒸发量2500kg/h5工作压力0.7Mpa6蒸汽温度170.47设计压力0.9Mpa8燃料船用燃料油（MFO）9燃油消耗率184kg/h10点火燃料船用柴油（MDO）11100%负荷时的效率83.4%12水腔容积2.6m32.2 燃油锅炉主要附件（1）.安全阀安全阀是锅炉必不可少的安全附件之一，且成对安装。锅炉在设计允许的压力下长期工作是安全的，但是在锅炉运行中，锅炉的压力因负荷骤增或其他原因而造成压力急骤升高超过允许的工作压力，如锅炉超压严重可能发生爆炸恶性事故。“育鲲”轮上锅炉的设定压力为0.9MPa。为了防止出现这种情况，锅炉都装有两个或两个以上的安全阀。当锅炉压力升高到规定的动作压力时，安全阀就会自动开启，将蒸汽泄放到大气中，使锅炉汽压下降。而当锅炉蒸汽压力下降到规定的正常工作压力时，锅炉安全阀又自动关闭，使锅炉工作恢复原有状态，从而保证锅炉的安全运行。 锅炉安全阀的开启压力约为1.05倍工作压力，但不超过锅炉设计压力。安全阀关闭压力大约比锅炉工作压力低2。如果锅炉只安装一个安全阀，这个安全阀的排汽量大于锅炉的额定蒸发量，要将全部蒸汽量从一个安全阀排出，安全阀的口径必须较大，在汽包或联箱上开的孔必然较大，这样较大的开孔对锅炉强度减弱较大，为保证锅炉强度则势必要增加锅炉的壁厚，同时大口径的安全阀也会给锅炉开孔补强和布置带来一定困难。若只装一只安全阀，一旦这个安全阀出现故障不动作，是非常危险的。若安全阀不少于两个，则两个安全阀同时出故障不动作的可能性就大大减少，从而保证锅炉运行安全。另一方面，若只装一只安全阀，一旦锅炉超压，安全阀动作。超过锅炉额定蒸发量的蒸汽从安全阀排出，相当于锅炉负荷瞬间大幅度增加；而当锅炉压力降至正常水平，安全阀关闭，相当于锅炉负荷突然下降。锅炉在短时间内经历这么大幅度的负荷增减，必然导致汽包水位、蒸汽温度和给水流量大幅度波动，容易造成锅炉爆管等事故。如果装有两个安全阀，一个安全阀装在过热器出口，在安全阀调整时，确保锅炉超压时过热器出口的安全阀先开启，可使过热器得到足够的冷却。（2）.主蒸汽阀:主蒸汽阀为截止止回阀，是锅炉向外界提供蒸汽的唯一通道，通常称为停汽阀。（3）给水阀:通常设两组，用于向锅炉水腔补充因蒸发而损失的炉水。每一组给水阀包括截止阀和止回阀，防止炉水倒流进入给水系统。（4）.水位计:锅炉本体装有两个玻璃水位计，分别位于左右两侧，用于显示实际水位。（5）.上排污阀:用于泄放炉水表面的浮渣。（6）.下排污阀:有两组，分别位于两侧，用于泄放沉积在炉水底部的杂质和泥渣。（7）.放气阀:位于顶部，常闭，只有在锅炉初次起动前需要灌水或停炉后需要灌水是才打开放气。（8）.取样阀:用于炉水取样化验。2.3 锅炉燃油设备及系统锅炉的燃油设备及系统主要包括整装式燃烧器和外围的燃油系统。“育鲲”轮锅炉采用SKVJ M18型整装式燃烧器， 它主要由喷油器（压力式点火油头和转杯式主喷油器组成）、风机、配风器、火焰探测器、观察镜、伺服电机、负荷凸轮等组成。在点火时，点火电极通电，两级之间尖端放电产生火花；同时，压力约为1Mpa的柴油在点火油头中央的细小喷孔的节流作用下以油雾的形式喷出，喷雾在配风器周围的空气助燃下被点火电极点燃；然后，点火油引燃主喷油器所喷出的燃油；之后点火油头停油，靠主喷油器持续燃烧提供热量。转杯式喷油器是燃烧器中的重要部件，其性能的好坏将会严重影响到锅炉的燃烧质量。工作时，电机通过皮带带动中央轴高速转动，同时驱动圆锥形转杯和雾化风叶轮旋转。压力约为0.25MPa的燃油被泵入转杯后，由于离心力作用，在转杯内壁形成油膜并被甩入炉膛；叶轮在将一次风从转杯外缘吹入，将甩出的油膜吹散成油雾。以此风量可由风门调节，而提供燃烧所需大部分氧气的二次风由另外的风机单位单独提供。 表2. “育鲲”轮锅炉燃烧器的主要技术参数序号性能指标参数1燃烧器型号SKVJ M182总重量340kg3燃油类型/工作温度/压力HFO（180380 cSt），7090，0.30.5MPa MDO，1060，0.150.3MPa4燃油流量40185kg/h5点火油类型/工作温度/压力MDO，1060，0.71.4Mpa6风机效率7.5kW（50Hz）7转杯功率1.5kW(50Hz)3 燃油锅炉燃烧控制3.1燃油锅炉基本工作过程及油路燃烧过程程序控制一般分为三个阶段：燃油的预热阶段，燃油的雾化、汽化、分解与空气的混合阶段和着火燃烧阶段。其中前一阶段在燃油系统中完成，后两阶段是在燃烧器和炉膛中完成。锅炉的基本工作流程如图2所示。图2.炉基本工作流程图锅炉的燃烧自动控制是根据锅炉的蒸汽压力变化，改变向炉膛的喷油量和供风量，来控制锅炉的燃烧强度。辅锅炉的燃烧时序控制是指给锅炉一个启动信号后，锅炉能按时序的先后，自动进行预扫风、预点火、喷油点火，点火成功后对锅炉进行预热，接着转入正常燃烧的负荷控制阶段。并同时对锅炉进行一系列安全保护。“育鲲”轮辅锅炉采用PLC控制，不同于双位调节和比例调节，可以实现锅炉燃烧强度随锅炉蒸汽压力的变化实现接近无级调节。图3 “育鲲”轮辅锅炉燃油系统图1.重油日用柜；2.柴油日用柜；3.燃油泵组；4.点火油泵；5.调压阀；6.回油三通阀；7.重/柴油转换阀；8、9、10.滤器；A.燃油至燃烧器；B.燃烧器回油；C.柴油至点火油头“育鲲”轮锅炉燃油系统如图3所示。根据三通阀7的选择，燃油从重油日用柜1或柴油日用柜2被燃油泵3吸入，然后经接口A送至主燃烧器。一般情况下，主油路燃用重油。调压阀5用于调节A口处，也即主燃烧器的供油压力。经调压阀旁通出来的燃油和经B口来的燃烧器回油一起返回重油日用柜，或回到燃油泵的吸口，这取决于三通阀6的位置。“育鲲”轮选择让燃油回到油泵的吸口。点火柴油由点火油泵4从柴油日用柜吸入，然后经接口C送至点火油头。3.2燃油锅炉燃烧控制流程图来自管道A的燃油进入燃烧器前，经过蒸汽或电加热器进行预热，经压力控制阀后经过滤器进入装有电磁阀12、13、14的管路段，经PLC控制进入燃烧器进行雾化燃烧。其燃烧控制过程如下。图4 SKVJ M18型整装式燃烧器系统图1.温控器；2.调压阀；3.滤器；4.油压监测器（高）；5.压力表；6.伺服电机；7.负荷凸轮；8.油量调节器；9.流量计；10.旁通阀；11.速闭阀；12/13/29/30.电磁阀；14/33.泄油电磁阀（常开）；15.油温监测器（低）；16.油温监测器（高）；17.主喷油器（转杯）；18.电机；19.风机；20.风压监测器（低）；21.一次风挡板；22.二次风挡板；23.风箱温度监测器（高）；24.一次风压差监测器（低）；25.节流孔；26.温度表；27.截止阀；28.压力表；31.火焰探测器；32.点火油头及电极；33.燃烧器连锁开关；A.进油；B.回油；C.点火柴油进；D.泄放油出在锅炉停用时，主油路电磁阀12、13和点火油路电磁阀29、30均处于断电关闭状态，转杯17和点火油头32都不供油。当接到点火指令后，PLC发出指令，风机19首先起动，向炉膛进行1min的预扫风；同时，转杯电机18投入工作，带动转杯17空转，将管路内可能的残油甩出。预扫风结束后，预点火变压器通电，点火电极通电发火，同时PLC发出指令控制点火油路上的电磁阀29，30开，电磁阀33关闭，柴油从进口C进入点火油头32并在喷入炉膛后被电极点燃进行预点火。该过程需要13秒。接着火焰探测器进行点火检查，大约需要24秒时间，若已经点火成功，PLC发出控制指令，电磁阀12、13通电打开，电磁阀14通电关闭，从燃油泵而来的燃油经进口A进入转杯，形成油膜后被甩入炉膛；同时，雾化风经挡板21从转杯的外缘吹入，将油膜吹散成细小油粒。大约需要45秒，从转杯喷入炉膛的燃油在点火油头的作用下被引燃。PLC控制挡板22让大量的二次风进入支持燃烧，接着火焰探测器进一步检查点火是否成功，该过程需要大约35秒。当转杯喷出的燃油形成稳定的燃烧后，在火焰检测器的反馈信号作用下，PLC发出指令，切断点火油路，点火油泵断电。锅炉进入自动运行。点火油路便可停止工作。该过程在燃油被引燃之后大约24秒。正常燃烧过程中根据锅炉蒸汽压力的变化，伺服电机6会通过负荷凸轮7对锅炉的负荷进行调节。负荷凸轮同时驱动油量调节器8、一次风挡板21和二次风挡板22，使风油比时刻保持匹配。当锅炉负荷减小时，PLC控制油门开度减小，同时风门挡板开度坐微小调整，控制合适的风油比在低负荷运行。负荷增大时同理做出相应调整。燃烧过程中水位处于自动控制状态。主油路上的电磁阀12，13，和14，开始时只是在主油路上有一个电磁阀，直接且只控制燃油的供给和停止，后来发展到主油路上的两个电磁阀，提高了燃油控制的可靠性。直到电磁阀14的出现变作三个，电磁发14是一个常开的电磁阀，在停炉时处于开启状态，停炉后的一段时间内，转杯不会立即停止转动，目的是是管道中的残油尽量甩出，进行后扫风，以便下次的起动。而电磁阀14在停炉断电后开启，使得管道内的燃油通过电磁阀14所在的管路汇集到泄放油处，进行燃油泄放。这同点火油路上的33好电磁阀的作用相似。根据该燃烧过程，可以绘制燃油锅炉燃烧流程图如下图5。图5 锅炉燃烧流程图4 实际运行故障及分析燃烧控制过程中，往往会因为人为或环境的因素导致一些事故的发生。“育鲲”轮燃油锅炉的自动化控制由于自动化程度比较高，故障的产生多数是由于参数的设定不能很好的适合锅炉的长期运行，其中对燃烧影响最大的因素莫过于燃油的预热温度和雾化器。这也是锅炉维护管理中的重点所在。4.1燃油加热温度的确定黏度是液体内分子摩擦的量度，即燃油流动时分子间阻力的大小，是评定燃油流动性的指标，是燃油最重要的特性之一。船舶燃油的黏度多采用运动黏度。燃油的黏度对其输送、过滤、雾化、燃烧都有很大影响。燃油的黏度随压力的增大而增加，随温度的升高而降低，这是燃油的黏温特性。船舶燃油锅炉日常用油为燃油，其正常温度下黏度很高，为了降低燃油的黏度，船上多采用蒸汽（或电）加热的方法。“育鲲”轮上燃油锅炉曾经多次发生燃油泵熔断保险丝熔断报警事故。其原因是值班轮机员根据以往工作的经验，将燃油的预热温度设置的太高，为80左右。停炉时，图4中电磁阀12、13均关闭，燃油经节流孔25至B口，然后经回油管路，回至燃油泵的吸口处。燃油在很短的回路内不断备加热循环，会导致局部温度大大超过预热温度本身。燃油预热温度设置为80的情况下当导致局部温度过高超过熔断保险丝的制造熔断温度184时，就会发生熔断报警。燃油预热温度可以根据燃油粘温特性曲线结合燃油的黏度进行确定。方法如下：根据燃油的黏度信息（如50时黏度为380 cSt），沿着50直线垂直向下。找到与380 cSt直线的交点。选择一条与该点距离最近的燃油曲线。当该曲线与厂家建议的黏度范围相交时，垂直向下，即可读取对应的预热温度。需要注意，由于预热器和转杯之间有一定的热损失，燃油的预热温度应该比粘温特性图中给出的温度稍高些为宜。 “育鲲”轮燃油锅炉的燃油预热温度利用反推法设置为65左右，从而顺利的解决了这个问题。反推过程为：“育鲲”轮主机和锅炉使用同一型号的燃油，且该燃油的型号并非标准型号，而是混合后的燃油。从主机燃油处理单元得知，该燃油在120时黏度为10 cSt左右，在燃油的黏温特性图中，找到这两条直线的交点，然后选择一条与该交点距离最近的曲线，沿该曲线根据燃烧器的类型，行至厂家推荐的黏度区域，进行适当平移后，然后垂直向上，找出该黏度区域所对应的温度为6470即可。该事故由于燃油的循环所致，我们建议改变三通阀6的状态，改变燃油的循环路径，将燃油循环时回至油柜，从而也可以解决燃油在系统内局部过热的问题。图6 厂家提供黏温特性图（为厂家推荐的转杯式燃烧器燃油黏度范围）4.2 转杯探出长度的确定 燃油的良好燃烧需要良好的雾化来保证。一次风的主要作用就是燃油的雾化和早期混合，设计时，要使气流的扩张角小于雾化角，并使空气具有一定的速度，这样空气才能以较高的速度冲入油雾中，结合轴向叶片环的角度使得空气和转杯喷出的油雾旋转方向相反，实现良好的雾化和早期混合。一次风的风量和风速基本处于不变的状态，因此雾化的程度则主要取决于转杯和布风器之间的配合。转杯式燃烧器的燃油雾化器总要探出布风口一定的长度，然而该长度的设置是轮机管理中一个问题所在。如果探出的长度太大，则会导致一次风落后油雾太多，进入油雾的时间变长，二次风入口距离油雾区太远，大量的空气不能和油雾充分混合，使雾化的质量下降，使燃烧不完全，产生黑烟等，这在点火时影响最明显。如果探出的长度不足，会使得一次风进入油雾的角度变小，同样不利于燃油的雾化和早期混合。因此，适当的探出长度很关键。图7辅锅炉燃油雾化器爆炸图“育鲲”轮燃油锅炉转杯探出长度一度为34个毫米，实习期间曾发生过燃油雾化不良，燃烧器爆炸报警事故，打开后，有