船用燃油辅锅炉炉膛爆燃关键因素研究

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　　摘 要
　　柴油机船上，燃油辅锅炉炉膛爆燃是非常危险的，可能引起火灾，危及人身和设备。文章分析了燃烧和爆燃机理，讨论了锅炉结构、燃料特性、操作和管理对爆燃的影响，提出了引发爆燃的关键因素和预防措施。
　　关键词
　　燃油辅锅炉;柴油;重油;炉膛爆燃;关键因素;预防
　　中图分类号： U676. 7                     文獻标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 49
　　Abstract
　　It is very dangerous when explosive combustion of furnace occurred in fuel oil auxiliary boilers on motor vessels. It may cause fire， endangering personal and equipment’s safety. Deflagration and burn mechanisms are analysied. Furnace deflagrate factors influenced are discussed about boiler structures， fuel properties， operatiing and managements. Key factor of deflagration and precautions are put forward.
　　Key words
　　Fuel oil boiler; Diesel oil; Fuel oil; Furnace deflagrate; Key factors; Precautions
　　0 引言
　　柴油机船常用2MPa以下的低压燃油辅锅炉，蒸发量差异较大，如干货船、油轮分别用蒸发量0.4～2.5t/h、20t/h以上的燃油锅炉，主要产生饱和蒸汽（或热油）供加热之用。冷炉启停用柴油（可以不加热），产生蒸汽后改烧重油（一般和主柴油机所用燃油相同），操作或管理不当易出现炉膛爆燃、爆炸，危及人身和设备安全。因此，了解爆燃机理、影响因素和危险性，采取有效措施切断关键因素，预防、杜绝爆燃是非常必要的。
　　1 爆燃分析
　　1.1 辅锅炉的燃烧过程
　　油燃烧时必须有空气、温度或火源同时存在，是油和空气的混合气达一定温度或浓度后进行的复杂、快速放热、发光的氧化反应。油能着火的温度与油质、炉膛温度和压力、炉膛体积、炉膛散热量等因素有关。燃烧放热量多于散热量时，油会迅速升温发生热力着火;油的活性强、炉膛压力高、向外散热少则会降低油的着火温度。
　　船上多用双喷嘴的压力式喷油器、转杯式喷油器、回油式喷油器辅锅炉燃油系统。喷油器的供油压力一般不超过2.5MPa。两个喷油器的供油压力一样，但喷嘴直径不等、喷油量不同。喷油量和供风量同时调节达到适当的风油比例，保证油的充分燃烧。双喷嘴锅炉低负荷时小喷油器工作，高负荷时大小喷油器都工作。气压升至上限则熄火停炉。转杯式锅炉点火时柴油经点火喷油器工作，产生蒸汽后燃油经转杯式主喷油器工作[1]。根据负荷需求，回油式锅炉在高负荷时主喷油器工作，低负荷时点火喷油器工作，无须停炉[2]。工作时柴油或燃油以雾状旋入炉膛，在炉膛内边蒸发边与供入炉内的空气混合，点火或达到着火温度可燃烧。重油比柴油蒸发慢易滞燃，且发热量大，蒸发后的油气燃烧更剧烈，燃烧后燃气温度高[3]。
　　1.2 炉膛爆燃
　　炉膛内积存油蒸汽后，遇空气混合，着火后炉膛内温度和压力急剧升高的振动、爆炸性燃烧现象为爆燃。爆燃时炉膛内压力过高则火焰从燃烧器向外喷出，压力超出锅炉承压极限时高压燃气波会炸开风道挡板或锅壳而爆炸[3]。根据文献[4]，爆燃分轻微、中等、严重和恶性四种。炉膛压力升高值不超过200Pa、时间短、危害小的不稳定燃烧是轻微爆燃。中等爆燃时炉膛压力升高到200pa以上甚至达800Pa，燃烧波动较大使运行参数变化，但危害不大。炉膛内压力高于800pa后，持续燃烧瞬间会使燃气的压力达到2300Pa，火焰从炉内向外燃烧或燃气突然剧烈振动的爆炸性燃烧，是严重爆燃，危害大。炉内大量可燃气瞬间燃烧产生更大冲击波使炉膛压力超过2300Pa后，会引起炉膛变形、爆炸、危害极大的恶性爆燃。
　　爆燃与炉膛温度、油的发热值、炉膛内积存的油气量有关。爆燃前炉膛温度越低爆燃后压力越高，即冷炉爆燃时危害较大;油气单位容积发热值越大爆燃后压力越高，即燃油爆燃危害性大;积存油气体积与炉膛容积的比值越大（最大为1）爆燃后的压力越高[5]，即积存的油气多，爆燃危害性大。油和空气的比例达到刚好完全燃烧时，燃烧放出的热量最多、产生的压力最大，瞬间的燃气压力波极高而引发爆燃爆炸。油量太多时不能完全燃烧且生成不燃物导致缺氧而停止燃烧;油量太少则很快会烧完，多余空气起冷却作用阻止火焰蔓延、不再燃烧，也不可能爆炸。这说明燃烧和爆燃是有极限的，油量多至能引起爆炸和油量少至能引起燃烧的两个极限值分别是爆炸上限和下限。油、气比例介于爆炸下限和上限区间时，点火或温度达到着火点会燃烧甚至爆燃爆炸，而低于爆炸下限或高于爆炸上限将可能燃烧但不会爆炸。
　　爆炸极限随油气混合物的组分而变，同一混合油气的爆炸极限随压力、初始温度、炉膛容积变化。油气压力高时分子间距小、加速分子碰撞，扩大了爆炸极限（即上限升高、下限降低）;油气的初温升高则分子活性大使反应加速，燃烧放热量大于散热量[6]，同时原本初温较低时混合气中的不燃物可能也达到了可燃、可爆，扩大了爆炸极限;炉膛越大则油气的爆炸极限越大。 　　综上所述，爆炸极限越宽出现爆燃爆炸的概率越大，危险性越大。可燃物组分中易燃物多、炉膛内燃气压力高、热炉、炉膛容积大时，易发生爆燃爆炸。
　　1.3 影响燃油辅锅炉爆燃的因素
　　1.3.1 炉膛结构、锅炉部件
　　一般燃油锅炉的炉膛比其他锅炉较大，故爆炸极限相对较宽。根据文献[7]，低负荷时炉膛内热流量分布明显不均，峰值在炉膛底部。因此低负荷时，燃油锅炉若喷油器堵塞或雾化不好、漏泄等造成炉膛底部积存油气较多时会引发严重、恶性爆燃。
　　喷油器或阀件故障如关不严使油液漏入炉膛、堵塞使油压不足雾化變差、喷油量突然变大（如喷油器磨损、喷油阀突然开大）、风油联动调节不匹配或突然失灵、工作中风门突然关小等使油量大或风门故障扫风时开度过小等，会导致炉膛积存过多油气引发爆燃。
　　蒸汽式喷油器的雾化蒸汽中有凝水混入重油会降低油温、减缓蒸发，或雾化蒸汽量小、蒸汽压力低都可能导致积存多余的油气而爆燃。转杯式喷油器的转杯和一次风机转速过低，将使油膜变厚蒸发延迟、雾化风不足等使油气聚积而爆燃。
　　配风器与喷油器的相对位置突变、配风器叶片松动使油雾、风向和风量改变，导致风、油不能充分交叉混合等，恶化油的雾化、难以形成低压回流、着火延迟等积存油气而引发爆燃。装有多个燃烧器的锅炉，不工作的燃烧器突然滴漏、风门突然关严也会积存油气而爆燃。
　　1.3.2 燃料特性
　　当油温低、油质差、炉膛温度低、雾化差时，重油蒸发更慢，一旦着火将有大量油蒸汽参与燃烧，增加严重爆燃发生率。炉膛温度或压力高则扩大爆炸上限，尤其在点火失败时会增加爆燃发生率。
　　换油时存在两种油同时燃烧的情况，而油质混杂则爆燃极限变化。研究和实践证明，烧重油、混油时易发生爆燃。某船在一段时间内轻重油转换时总发生爆燃，分析是烧两种混油所致，适当加大风量减小了爆炸极限解决了爆燃。而某船新上重油后不能点燃或点燃后易爆燃（按粘温性选择的油温），经研究是油质差、油温低扩大了爆炸极限，适当提高重油温度可消除爆燃改善燃烧。
　　1.3.3 违规操作
　　虽然锅炉操作有严格规定，但众多炉膛爆炸事故证明，违规操作是引发锅炉炉膛爆燃、爆炸的重要原因。如点火前未有效扫风、点火失败后图省事不扫风再点火、多次点火失败不查找原因继续点火、发现堵塞或漏泄或报警后不处理、换新元件不试验就直接运行、停炉或突然断电停炉后不扫风等，均导致了炉膛积存过多油气给爆燃埋下了隐患。
　　1.3.4 管理不当
　　运行前：若点火前炉内积存了大量可燃气且未增加吹扫时间或吹扫时风门开度过小使扫风不彻底或无效;未检查漏泄、点火失败喷油延时设置过长、油温预热低、油压设置低等可能导致点火时炉膛积存多余可燃气引发爆燃。
　　运行中：当风量小、油压低、油温低、阀件或滤器堵塞、脏污使油压不足等不能形成合适的油雾和锥角使雾化差，雾化片磨损严重油量大、管路或喷油嘴漏油、火焰熄灭等导致的炉内积存油气而爆燃的危险;未及时查看仪表、风门、火焰、排烟，未及时吹灰使排烟不畅、炉膛内压高，使仪表失灵、风油比不当、燃烧变差而达到了爆燃条件。若某些船烧柴油也会爆燃，可能是喷油器严重磨损或喷嘴滴漏油致油量大爆燃，换新备件可消除爆燃。
　　停炉：熄火后延迟喷油时间过长、停炉时炉膛内有未完全燃烧的油气或有油漏入炉膛且扫风不足（同样的扫风时间并不能扫除积存过多的燃气）导致炉膛积存燃气过多、停炉后未关严风门致多余燃气复燃而爆燃。
　　维修：部件检修时未彻底清洗、组装不规范、检修后误将喷油器的位置互换[8]、随意更换不同规格的雾化片等导致喷油压力低、管路部件堵塞雾化效果差、喷油量大炉内正压高[9]、点火电压不足或电极位置设置不当或结焦炭、熄火停炉喷油延时设置过长等油量在炉膛内积存过多引发爆燃。某双喷嘴锅炉小大火转换时爆燃时有发生，经分析是风油比不当致油气积存所致，调换两喷嘴位置后爆燃消失。
　　1.3.5 引发爆燃的关键因素
　　根据油的燃烧和爆燃机理，综上所述，燃油锅炉、炉膛内积存较多燃油或混合油、炉膛内压力高、热炉喷油量多、冷炉点火或连续多次点火、喷油量突然增大、油雾化不良等均易发生爆燃。
　　考虑辅锅炉冷炉时要点火、运行中炉膛内温度较高，而且都需要供风，因此引发爆燃的最关键因素是炉膛内积存了爆燃极限范围内的可燃油气。
　　2 预防、杜绝爆燃
　　爆燃是引发锅炉外爆的因素之一。目前辅锅炉的自动化程度高，要严守操作规程，勤于管理，及时维护，切断引发爆燃的关键因素，预防或杜绝爆燃。
　　正常航行每七至十天停炉1次（1～2小时），清理喷油器防止堵塞;保证点火、喷油、配风及油温参数正常。规范修理和装复，装复后应点火调试，发现问题及时解决。
　　充分扫风切断点火时多余油气积存。任何一次点火都要有效扫风;点火失败先停油，排除故障再点火，并延长扫风时间。实践证明启用长期不用的锅炉时，若二三次点不着火，要立即停炉检查。若换新重油易发生爆燃，可将油温适当升高。
　　运行中确保油气充分及时燃烧，避免多余油气积存。突然熄火、断电、紧急停用都要先停油;注意观察火色、滴漏、风门开度、烟色和压降、风油压力、油温及滤器压降并确保正常;特别注意低负荷、负荷转换、熄火后、点火后的燃烧状态，发现排气黑烟、火色发红跳动、漏油、部件卡死或不灵活时及时处理，切断油气积存环节。若烧柴油也会爆燃，需要修理或更换喷油器。
　　3 结束语
　　引发燃油辅锅炉炉膛爆燃的因素有很多，危害性极大。研究分析和实践证明，引发爆燃的关键的因素是炉膛内积存了爆炸极限范围的油气，要严格遵守操作规范，发现异常及时解决，维持合适的风油比，切断过多油气的积存，彻底预防和杜绝爆燃，确保锅炉的安全运行。
　　参考文献
　　[1]陈立军，王涛. 船舶辅机[M].大连. 大连海事大学出版社.2018.
　　[2]陈立军.船舶辅机[M].大连.大连海事大学出版社.2007.
　　[3]潘新祥.船舶辅机[M].大连.大连海事大学出版社.2018.
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