热介质锅炉燃烧分析与配风比控制

梁光山  300452  中海石油基地集团采油服务公司

摘  要 介绍了海油石油111热介质锅炉的结构、作用及燃烧过程，通过相关部件的合理调整，将能达到较为理想的燃烧效果。

关键词  雾化 风油配比 一次风 二次风 

1概述

番禺－海洋石油111号FPSO自建造调试以来，热介质锅炉的燃烧排烟，一直是一个重点关注的问题。这几年，在不断努力下，热炉排烟从原来的投产初期的黑烟阵阵到目前基本无烟，得到了明显的改善。本文结合番禺热介质锅炉的经验总结，阐述分析热炉燃烧过程、燃烧优化调节的经验，为今后油田的使用和调节充当“垫脚石”。

2热介质炉（锅炉）系统简介

番禺热介质锅炉系统主要由燃烧炉膛、热介质循环泵、膨胀罐、贮存罐补给泵、滤器和用户换热盘管等组成。

热油主要流程如图1所示，补给泵将贮存罐的热介质油泵入膨胀罐，热油在热介质循环泵的作用下，进入燃烧炉膛的盘管被加热升温，然后被分配到各用户进行热置换、最后回到热介质循环泵入口或膨胀罐，进行下次循环。

主要设备：卧式炉膛炉 10000 kW （3台）,热介质循环泵 301 m3/h－113mL.C.－132 kW( 4台,1台备用)，燃烧器雾化风机7.5 kW，锅炉风机15000 m3/h－52.5 mbar－45 kW。

3热炉的燃烧原理、结构及燃烧过程

3.1 燃烧原理

油轮使用的是液体燃料，主要是指重油（原油）。燃烧实际上是重油油气与空气的混合气发生的化学反应－释放出能量。而重油油气的获得需要在油滴表面上进行 ,为了增加油滴表面积，常常将燃油雾化成很细小的液滴。油滴越小,挥发越快，不完全燃烧损失就越小。燃烧所需时间就越短 , 油滴燃烧所需的时间与液滴直径的平方成正比。

重油在燃烧时，有一个特性，重油是由较重的碳氢化合物组成，燃烧时，油滴被周围的火焰加热，油滴内部温度很高，但得不到氧气，于是重碳氢化合物分解成碳黑、形成焦壳。焦壳内的油受热会膨胀，当膨胀到一定程度时，焦壳会碎裂，形成小焦块。焦块不易烧掉，会影响燃烧的经济性，同时锅炉会冒黑烟。为减轻重油在缺氧条件下分解成碳黑，应使空气及时充分地供应，即加强空气与油滴的混合，调整好供风量和供风的喷口形式。 

3.2 热油燃烧系统结构

为使重油燃烧良好，必须提高油的雾化质量，使油雾与空气充分混合，这主要借助于燃烧器来实现。燃烧器是燃油锅炉的关键设备，它由喷油部分( 雾化器 )、调风器部分、点火装置、电气系统和电机及伺服马达等构成 。

图2箭头方向为点火油路和燃烧油路。实线框内所示为油嘴与弧度盘联动机构，它和风门连杆共同决定了燃烧配风比，它将根据油嘴大小控制供风的风量。

3.3燃烧过程

如图3所示，重油经燃油供给泵加压，预热器加热到雾化转杯高速旋转离心雾化，并与一次风混合携带后喷出汽化、在二次风、回风和炉膛温度共同作用下形成燃气混合物，最后由点火电极产生火花引燃。

4影响燃烧的因素

4. 1 粘度的影响
　　为促进重油的完全燃烧，必须将重油预热到适当的温度。温度过低，重油粘度过大，影响雾化质量，使燃烧恶化，出现燃烧不完全、冒烟、火嘴结焦、易积碳灰等现象；温度过高，燃料油过热，造成重油的蒸发或闪蒸，引起炉膛火焰脉动或因碳残留物积聚在燃料油换热器的盘管上而堵塞换热器。故需掌握重油最佳燃烧温度范围，111油轮的重油温度就控制在70℃左右。

4.2 配风风量调节

如 图 2所示，凸轮机构在伺服马达的驱动下沿逆时针方向转至大火位置 ,带动风门挡板连接件并为前吹扫打开风门。在前吹扫末期,伺服马达驱动凸轮盘关小，并回到点火开关位置,同时风门挡板转到点火负荷位置 ,这时,只有一小部分重油在喷嘴里雾化,大部分则通过回油管回流至油罐。风门开度也仅够供风量满足雾化油量的需要。点火成功后，伺服马达驱动联动机构依据设定需求，由小火向大火位置连续运动, 风门打开使风量适合油量，最后在适合需求的位置稳定 。

4.3 雾化

如图4油轮采用的油嘴是转杯压力式。它的工作原理是重油通过空心转轴送 3000~5000r/min 的高速旋转的杯形装置中 , 在离心力的作用下，油在转杯中紧贴转杯内壁形成很薄的油膜 ,沿杯口飞出,油膜被撕裂，形成雾状小液滴。

4.4 一次风

与雾化转杯高速转动的同时，装在同一轴上的风机叶片将一次风沿着雾化转杯杯口经导向片吹出，一次风旋转方向与油滴的方向相反，使油滴进一步雾化。一次风的要求: 满足燃油中挥发和燃烧所需的气量，满足输送喷油油雾的需要。一次风量的大小对喷油雾流燃烧效能和着火稳定性的影响是主要的。一次风量愈大，喷油雾流控制的火苗就越长，喷油雾流发散效果收敛。这时，着火速度就略为缓慢而充分，越容易实现完全燃烧。但是一次风并非越大(越小)就越好。

任何一种燃料着火后，当氧浓度和温度一定时，具有一定的火焰传播速度。当一次风速过高，大于火焰传播速度时，会推迟着火，引起燃烧不稳定，就会吹灭火焰或者引起“脱火”。

气流速度小于火焰传播速度时，可能发生“回火”现象，或因着火位置距离喷口太近，将喷口烧坏；

4.5 二次风

燃烧器中装有旋流发生器（简称旋流器）。助燃空气流在可动叶片的作用下，通过旋流器时，发生旋转，从喷口射出后即形成旋转射流。利用旋转射流，能形成有利于着火的高旋油气回流区，并使气与喷油油雾强烈混合。

5配风的比率与优化调整

 热炉的配风应先调整燃油油量和空气风量的比率，即油嘴与风门的比率，再通过一次风、二次风－手动改变风的喷射形式、形状和长度。

5.1配风比率的调节

在锅炉燃烧设备和燃料供应稳定的条件下，就可以确定油嘴开度于凸盘联动杆带动的风门开度的比率，不同的燃料油具有不同的比率。

重油（原油）： 空气进风量 ＝ 1 ：10

轻油 （柴油）：空气进风量 ＝ 1 ：11

5.2一、二次风的优化调节

在油风比率基本确定的情况下，一、二次风的混合特性是决定着火和燃尽过程的关键。一次风是通过雾化电机下方的入口风压来确定，二次风是受在风道中装有的调节叶片的安装角度所影响。通过手动装置可使叶片旋转角度发生变化。改变叶片的角度，能改变二次风的旋流强度，使燃烧保持稳定。

调节的依据是：雾化转杯出口喷油雾流的旋流长度取决于一次风和二次风的风量大小和配调。一次风正时针圆倒锥形状旋转喷射、二次风反时针倒圆锥形状旋转喷射，同向对冲，减小了炉内一次风雾流的实际切圆直径，使油雾气流不易贴壁，因而能防止结渣，而且能减弱雾流的残余旋转，还能使雾流与空气充分接触。

实际上，一次风在射出喷口后在气流中心形成回流区（内回流区），火焰从内回流区的内边缘向外传播。与此同时，二次风在旋转气流的外围也形成回流区（外回流区）。由于二次风也形成旋转气流，二次风与一次风的混合比较强烈，使燃烧过程连续进行，不断发展，直至燃尽。

6应用效果

    经过在操作、维修过程中逐步探索—分析—总结得出：海油石油111的炉子是能够达到无烟燃烧的目标。除了油嘴/风门的配风比率的调节外，一次风雾化风量（一次风长度）、二次风的旋转叶片角的配合组合调整将能获得比较理想燃烧。目前状况是：烟囱排烟基本无色，热燃烧基本完全，热油携带热能能力正常，热油进出口温差保持在40℃左右，因为用户的数量的变化，有时温差能达到64℃，这说明通过对锅炉运行方式进行优化调整后，锅炉运行指标得到明显改善。热炉设备排烟后部的主机房房顶，基本上由原来的三天必须清洁，变更为半月或更长清洁，房顶烟灰基本没有。油轮后部的飞机甲板的飞灰物资与清洁次数也明显地减少了许多。我们还根据锅炉点火流程，整理实践得出“不停炉，轻质油与重质油的手动切换”的操作步骤（原设计的操作步骤为，停炉－切换重油/轻油油路－启炉），减少停炉/启炉的瞬间－产生的不完全燃烧烟灰。

7结论

　　要提高锅炉运行效率，同时尽量满足减少烟气的排放，除了需要根据油嘴开度控制进风量强化燃烧外，关键还要控制好锅炉运行的一次风、二次风的进风形状，它们直接影响锅炉的燃烧质量。还可利用燃烧火焰的颜色来细化锅炉燃烧的质量。目前还在整理、摸索中，相信锅炉的燃烧效果还能再提高一个台阶。