增壓鍋爐燃燒熄火原因分析及解決方案

周國義，李軍華，杜 飛

(海軍工程大學，湖北武漢 430033)

在增壓鍋爐中，燃油燃燒所需要的空氣是由渦輪增壓機組燃氣輪機利用煙氣的熱能膨脹做功驅動壓氣機旋轉獲得，空氣增壓后經配風器送入鍋爐爐膛助燃。由于爐內具有很高的壓力，增加了爐膛容積熱負荷，提高了煙氣流速，爐內輻射和對流傳熱大為提高，降低了鍋爐排煙溫度，提高了鍋爐熱效率。每噸蒸汽耗鋼量與非增壓鍋爐相比有較大程度的降低，尺寸重量也大為減小。同時，爐內空氣動力場及燃燒的組織要求更高，對鍋爐燃燒技術、運行管理及維護要求更為嚴格。

本文針對某船2臺增壓鍋爐經常發(fā)生燃燒熄火故障進行原因分析，并提出了解決方案。

1 鍋爐局部控制系統(tǒng)及熄火現(xiàn)象

1.1 鍋爐局部控制系統(tǒng)概述

某船每臺增壓鍋爐具有6套大容量燃燒設備，采用全電控方式進行控制，其局部控制系統(tǒng)用于鍋爐啟動、控制、保護與監(jiān)測。系統(tǒng)主要組成:控制臺、不間斷電源、控制器、接線箱、燃油壓力調節(jié)器、燃油壓差調節(jié)器、蒸汽壓力調節(jié)器、水位調節(jié)器、空氣流量調節(jié)器、燃油溫度調節(jié)器、渦輪增壓機組轉速調節(jié)器等。

鍋爐局部控制系統(tǒng)具有高低雙級結構。低級包括:模擬信號傳感器、離散傳感器、檢測儀表、執(zhí)行設備、操縱器、變換器。高級包括:主控制設備、成套雙通道數(shù)字計算儀器 (互為備用)，當主通道故障時，自動轉到備用通道;當主通道恢復后，自動轉到主通道，切斷備用通道。系統(tǒng)通過儀器間的接口與動力裝置技術設備的控制系統(tǒng)相連。

鍋爐局部控制系統(tǒng)能保證鍋爐無煙燃燒和規(guī)定的壓力。在主機自動調節(jié)、控制和保護系統(tǒng)中的最高壓力調節(jié)器和最低壓力調節(jié)器接通及在機動(變速、轉向)自動控制工況中，鍋爐局部控制系統(tǒng)能保證鍋爐無煙燃燒，此時允許蒸汽壓力的給定值有如下誤差:當鍋爐負荷從最低負荷到最高負荷變化時，壓力的驟降不超過額定值的10%，此時鍋爐負荷的變化速度不超過每秒1.5%;當鍋爐負荷從最高負荷到最低負荷變化時，蒸汽壓力的升高不會導致安全閥啟跳，此時負荷的變化速度不超過每秒3%。過渡過程的持續(xù)時間不超過2 min。

1.2 鍋爐局部控制系統(tǒng)工作不穩(wěn)定及熄火現(xiàn)象

1)在鍋爐低參數(shù)工況下，主機加速時，當鍋爐汽壓下降0.2～0.4 MPa后，蒸汽壓力調節(jié)器沒有動作，此時必須轉為“遙控”工況下，手動增加負載2%～4%左右后再轉回“自動”，調節(jié)器才能正常工作。

2)不管是在低參數(shù)還是在高參數(shù)工況下，當主機加速時，冒煙限制器動作后，渦輪增壓機組經常出現(xiàn)長時間速度不下降或下降很慢，導致鍋爐出現(xiàn)震蕩以及計算機顯示為“鍋爐無火焰”。

3)在高參數(shù)工況下，主機加速時，渦輪增壓機組出現(xiàn)異常加速，鍋爐汽壓下降，鍋爐顯示為無火焰，蒸汽壓力調節(jié)器迅速增加負載，最高可以達到100%，但此時鍋爐汽壓可能低于5.5 MPa，然后感覺鍋爐有爆燃，汽壓猛升至7.1 MPa左右，鍋爐安全閥起跳，有時連續(xù)起跳，按照常規(guī)此時蒸汽壓力調節(jié)器應該下行，減少噴油量，但實際上蒸汽壓力調節(jié)器可能仍然保持在100%不動作，或者一臺爐在100%，另一臺只有20%左右，相差太遠;此時鍋爐汽壓忽高忽低，一會兒顯示有火焰，一會兒顯示無火焰，渦輪增壓機組轉速忽高忽低波動很大，在這種情況下把蒸汽壓力調節(jié)器轉為“遙控”控制，表現(xiàn)為不起作用，也就是說人為無法干預;只有降低主機負荷，才能讓這種現(xiàn)象慢慢消失，趨于穩(wěn)定后，調節(jié)器又能人工遙控。

4)3#鍋爐經常出現(xiàn)“鍋爐無火焰”指示，實際情況檢查假熄火的情況居多，3#鍋爐燃燒狀況不好，爐膛昏暗，煙比較大。

5)3#、4#鍋爐在工作中，風油比不匹配，表現(xiàn)為在低負荷情況下，3#爐噴油器前油壓比4#爐高0.03～0.05 MPa，渦輪增壓機組轉速3#鍋爐比4#鍋爐低1 000 r/min;高負荷時現(xiàn)象剛好相反，而且負荷越高油壓相差越大，最大時可以達到0.5 MPa左右。

1.3 3#、4#鍋爐熄火情況及其影響

某船3#、4#鍋爐在一次遠航途中分別發(fā)生熄火故障10次和7次。之后，在多次執(zhí)行任務中又發(fā)生30余次類似故障，導致一部主機不能正常工作，嚴重影響到該船正常航行，給該船訓練和執(zhí)行任務留下了重大隱患。

2 燃燒熄火原因分析

2.1 空氣過量系數(shù)過大

鍋爐理論認為:在燃燒過程中，如果空氣過量系數(shù)過大，即送入爐內的空氣量過多，煙氣“熱量”會后移，將導致冒白煙，經濟器出口水溫高，過熱器出口蒸汽溫度偏高，產汽量不足等。這一結論對非增壓鍋爐來講完全正確。但是，對于具有8級軸流式壓氣機，其最大送風量可達44.5 kg/s、壓力達0.34 MPa的渦輪增壓機組，運行試驗表明:當空氣過量系數(shù)達到一定值時，不僅產生上述問題，還會導致爐內燃燒火炬直接熄滅。因此，對增壓鍋爐來講，空氣過量系數(shù)過大是引起鍋爐燃燒熄火的原因之一。

全電控方式下計算機的燃燒控制軟件是引起空氣過量系數(shù)過大的原因之一，分析如下。

為了保證在主機變工況時增壓鍋爐無煙燃燒，這時借用冒煙限制器部件使渦輪增壓機組提前加速，增加供風，用以克服空氣流量調節(jié)器自平衡能力差這一特性，保證油風配比一致，從而實現(xiàn)無煙燃燒。

對于采用全液壓控制的增壓鍋爐來講，冒煙限制器是一個電磁鐵帶動的單噴管液壓調節(jié)器。當主機加速時，主機負荷手輪有一個加速電信號 (加速越快信號越強)傳遞給冒煙限制器的電磁鐵，在電磁鐵作用下，單噴管發(fā)生偏轉 (信號越強偏轉角度越大)，液壓調節(jié)器的工作水直接進入空氣流量調節(jié)器的反饋彈簧設定裝置，相當于直接提前附加了一個反饋信號給空氣流量調節(jié)器，使渦輪增壓機組提前加速;當主機負荷手輪停止轉動時，加速電信號消失，空氣流量調節(jié)器恢復正常工作;如果加速信號消失后，調節(jié)器故障不能復位，就相當于一直有一個信號作用在空氣流量調節(jié)器上，造成渦輪增壓機組異常加速、鍋爐汽壓急劇下降，蒸汽壓力調節(jié)器將增加供油，以恢復鍋爐汽壓，反復加油、加風，風油配比失衡，空氣過量系數(shù)過大，最終導致鍋爐燃燒熄火。

對于采用全電控方式的增壓鍋爐來講，當主機加速時，主機負荷手輪有一個加速電信號 (同樣是加速越快信號越強)傳遞給冒煙限制器，這時，冒煙限制器不直接通過空氣流量調節(jié)器的調節(jié)閥進行控制，而采取電信號控制電磁三通閥，通過電磁三通閥的通斷，控制工作水，直接作用于渦輪增壓機組的噴嘴閥伺服器上，由伺服器帶動噴嘴調節(jié)閥進行加速。也就是說冒煙限制器起作用時，空氣流量調節(jié)器根本無法控制機組轉速。所以，當加速電信號消失后，如果電磁三通閥不能復位或關閉不嚴，同樣會造成渦輪增壓機組異常加速，最終結果同上。由于全電控方式的增壓鍋爐蒸汽壓力調節(jié)器的主脈沖分別取自2臺鍋爐，這樣直接造成了當一個梯次一臺鍋爐出現(xiàn)上述問題時，就會導致同一梯次2臺鍋爐汽壓互相牽扯、干擾，最終全部熄火的結果。

2.2 燃油總管壓力不足

燃油總管的壓力不足會造成噴油器前的燃油壓力過低，風油配比失衡，即風量過多，油量欠缺，加之在這種情況下會使鍋爐汽壓下降，蒸汽壓力調節(jié)器持續(xù)加油、空氣流量調節(jié)器加風，在燃油壓力不足情況下，最終導致鍋爐燃燒熄火。

造成燃油總管壓力不足的原因主要有以下原因。①日用油柜油位過低。油位過低會造成燃油泵吸不到油，總管的壓力自然會降低，造成鍋爐熄火。②汽輪燃油泵故障。如果出現(xiàn)汽輪燃油泵的轉速調節(jié)系統(tǒng)或螺桿泵故障，造成達不到額定轉速或螺桿泵間隙過大，嚴重漏泄，排量太小等情況，都會帶來燃油總管壓力過低。③高工況下電動燃油泵不能自動啟動。當鍋爐進入高工況，即當鍋爐第4只噴油器打開時，電動燃油泵應該自動啟動，投入工作。如果在高工況下，電動燃油泵不能自動投入工作，就會導致燃油總管壓力過低。

2.3 燃油壓差調節(jié)器故障

燃油壓差調節(jié)器用于確保蒸汽壓力調節(jié)器調節(jié)閥前后燃油壓差在鍋爐任何工況下為0.35～0.45 MPa。如果燃油壓差調節(jié)器出現(xiàn)故障或靈敏度降低，鍋爐就會出現(xiàn)斷油或噴油器前壓力驟降，會立即造成鍋爐熄火。

2.4 各傳感器偏差過大，造成調節(jié)器誤動作

鍋爐各調節(jié)器測量用的傳感器 (或稱變送器)，對于采用全液壓控制的增壓鍋爐來講主要是調節(jié)器上的波紋管，對于采用全電動控制的增壓鍋爐來講主要是各種規(guī)格的壓力、壓差變送器。傳感器對于調節(jié)器是否能夠正常工作起著決定性作用，傳感器偏差過大，會造成各調節(jié)器誤動作，直接威脅到鍋爐運行安全，造成鍋爐燃燒熄火。偏差過大的原因主要有:①波紋管、薄膜破裂。②連接傳感器的脈沖管堵塞。③壓力、壓差變送器的電位器偏移。全電動控制的增壓鍋爐的壓力、壓差變送器采用的是4～20 mA的標準電流，當電流為4 mA時，調節(jié)器調節(jié)閥應全部關閉;當電流為20 mA時，調節(jié)器調節(jié)閥應完全打開。4～20 mA電流的變化與調節(jié)器調節(jié)閥的關和開存在對應的線性關系，直接反映了鍋爐負荷的變化情況。該電流的變化依靠電位器進行調整，電位器發(fā)生偏移將直接影響調節(jié)器的正常工作，嚴重時造成鍋爐誤動作熄火。④壓力、壓差傳感器故障。如燃油壓差傳感器故障時將直接導致鍋爐熄火。

2.5 蒸汽壓力調節(jié)器故障或卡滯

蒸汽壓力調節(jié)器直接控制著進入爐膛的噴油量。如果蒸汽壓力調節(jié)器出現(xiàn)故障或者機械卡滯，將造成鍋爐燃燒不良，汽壓下降，嚴重時導致鍋爐缺油熄火。

2.6 燃油壓力調節(jié)器故障或卡滯

燃油壓力調節(jié)器保證鍋爐在不同負荷下燃油總管具有不同的規(guī)定油壓，它是一個程序式調節(jié)器。出現(xiàn)故障或卡滯會造成燃油總管壓力過高或過低，總管壓力過高，使燃燒不良;總管壓力過低，鍋爐供油不足，會產生熄火。

2.7 熄火保護系統(tǒng)誤動作

在全電控方式的增壓鍋爐保護系統(tǒng)中，有一個鍋爐“熄火保護”功能，主要是借助于鍋爐爐膛火焰?zhèn)鞲衅鱾鬟f鍋爐燃燒的火焰信號，為了輸入火焰?zhèn)鞲衅麟妷盒盘柌捎媒M件CSM7B30－03D，該組件形成低頻電壓信號 (1 V)，標準信號0～10 V。當火焰?zhèn)鞲衅鞴收匣蛘郀t膛燃燒狀況不好，火焰?zhèn)鞲衅鳈z測不到火焰信號超過5 s時，鍋爐保護系統(tǒng)動作，熄火保護啟動。但在火焰?zhèn)鞲衅魇ъ`后，可能將正常燃燒的鍋爐熄火。

2.8 油中含水較多，水噴進爐膛造成鍋爐熄火

所有油柜都有通大氣的通氣口并裝有止回閥，安裝止回閥的目的是防止船舶在大風浪中航行時，甲板上的海水進入油柜。在實際工作中，油柜中經常出現(xiàn)有水情況。主要原因有:①補給的燃油中本身含有較多的水分，這種情況在向船上補給燃油過程中并不能及時發(fā)現(xiàn)。當油在油柜中沉淀一段時間后就會出現(xiàn)油水分層，水就會沉到油柜底部，而燃油泵吸入口都位于油柜底部，于是在工作過程中油泵就會把水吸入燃油管路噴入爐膛。②燃油柜的通氣管止回閥故障，不起止回作用，造成海水從通氣管進入油柜，進而沉淀在燃油柜的底部。③氣溫溫差大或霉雨天氣，空氣中的水分大量進入油中，造成油柜中形成凝水，久而久之凝水積少成多。

3 解決方案

針對鍋爐工作中經常熄火問題，主要采取了以下解決方案。

3.1 加強燃油含水量監(jiān)測

經常檢查油柜中的油是否含水。采用蒸汽往復泵抽取燃油柜底部的油水，采取沉淀目視法進行檢查，以便及時處理。

3.2 加強燃燒設備的維護保養(yǎng)

燃燒設備具有完好的工作狀態(tài)是保證鍋爐正常工作的基礎，應從以下幾個方面做好技術維護工作:①定期對風門進行檢測，觀測是否有變形，打開是否靈活，固定螺絲是否松動，防止調節(jié)風門連桿螺絲松動、脫落，造成風門卡死或不能正常啟閉，保證正常供風。②每次停爐后應對噴油器進行清潔保養(yǎng)。為保證噴油器霧化良好，每一次停爐后都要組織人員對噴油器進行維護，特別是霧化片和蒸汽墊片的清潔，保養(yǎng)完畢后要在船上噴油器試驗臺上進行試驗，保證清洗后噴油器的霧化效果，同時注意檢查推桿是否變形。③定期對鍋爐噴油器供油閥以及其到噴油器前的供油管路進行檢查，防止堵塞。④定期檢查燃燒設備的爐內部件。包括對穩(wěn)焰器位置的測量和噴油器中心線的檢查，穩(wěn)焰器的固定位置嚴格按照技術說明書的要求進行，噴油器中心線的檢查通過測量中心點到周邊的距離可以確定，如果發(fā)現(xiàn)偏離中心點要及時進行校正。⑤對燃油閉鎖閥裝置以拆檢的方式加強檢查。

3.3 嚴格按照規(guī)定時間對傳感器進行校驗

按照使用保養(yǎng)條例規(guī)定對傳感器進行檢查。檢查間隔期1年，超過1年應進行:外部查看;檢查傳感器和設備的工作性能;調整及確定基本誤差。

3.4 加強調節(jié)器、傳感器、冒煙限制器等關鍵件的預防性檢修工作

1)調節(jié)器。對于采用全液壓控制的增壓鍋爐其機械液壓式調節(jié)器，應加強波紋管、三菱刀口支點、擋板和機械傳動機構、伺服器、杠桿反饋機構、等值器等部件的預防性檢查，及時發(fā)現(xiàn)問題，防范于未然。對于采用全電控方式的增壓鍋爐其電控調節(jié)器，重點加強調節(jié)閥位置狀態(tài)的檢查:①通過手搖執(zhí)行機構，觀看在遙控狀態(tài)下閥門的全開和全關是否真正到位，有沒有誤差，存在誤差要及時調整。②檢查閥門的行程和伺服時間是否符合相應的調節(jié)器技術要求，并視情進行調整。③檢查閥頭的狀況，查看閥頭的線形，是否有松動脫落、蝕坑。④查看單片機有沒有故障顯示，顯示與實際不符等情況，視情進行調整、修理或更換。

2)傳感器。對于各種傳感器，應加強傳感器輸出信號的檢測:調節(jié)閥開度0～100%的電流應在4～20 mA;輸出信號超出范圍，應及時通過電位器進行調整，如無法校正電位器，則對電位器進行更換或更換整個傳感器。

3)冒煙限制器。對于采用全電控方式的增壓鍋爐冒煙限制器，應加強對電磁三通閥的預防性拆檢維護工作，該三通閥存在設計缺陷，經常會出現(xiàn)卡滯或關閉不嚴情況，若不及時進行預防性拆檢工作，很容易在工作中出現(xiàn)渦輪增壓機組異常加速，造成熄火的嚴重問題。

4)火焰?zhèn)鞲衅?。火焰?zhèn)鞲衅髯鳛榉从冲仩t燃燒狀況的部件，其輸出信號又與鍋爐保護系統(tǒng)直接相連。應檢測火焰?zhèn)鞲衅鞴ぷ麟妷?，加強對其狀態(tài)監(jiān)測及預防性檢修，能有效防止由于傳感器錯誤輸出信號，使鍋爐保護系統(tǒng)誤動作，造成鍋爐燃燒不正常熄火。

3.5 其他檢查

清潔燃油過濾器，檢查霧化蒸汽管路是否堵塞等等。

4 結束語

增壓鍋爐采用了增壓燃燒技術，助燃空氣由渦輪增壓機組中的壓氣機提供，燃燒過程發(fā)生在相對不大的空間中，具有強烈脈動和紊流特性，爐內燃燒更為劇烈，煙氣溫度更高，容積熱負荷更大，煙氣流速更快，很容易出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定、熄火等現(xiàn)象，為此，本文針對某船后艙2臺增壓鍋爐很長一段時間內經常發(fā)生燃燒熄火情況，給出了故障現(xiàn)象，進行了原因分析，提出了解決方案。經檢修，目前熄火故障已圓滿解決。