輔鍋爐

輔鍋爐是指產生的蒸汽用於加熱燃油、貨油,驅動貨油泵、鍋爐給水泵及日常雜用等的鍋爐。輔鍋爐由燃油鍋爐和廢氣鍋爐組成。燃油鍋爐就是通過燃燒燃油(重柴油,重油或渣油)的化學能轉化為熱能,使鍋爐的水變成水蒸汽的設備。目前油輪上使用較多的有燃油鍋爐有:立式直水管鍋爐、D型水管鍋爐和立式橫煙管鍋爐。廢氣鍋爐是船舶在航行時,用以吸收柴油機排氣餘熱而產生的蒸汽設備。詳細介紹了輔鍋爐的組成、主要調節任務、自動控制原則、控制原理以及運行管理等。

基本介紹

• 中文名：輔鍋爐
• 外文名：donkeyboiler
• 組成：燃油鍋爐和燃油廢氣組合鍋爐組成
• 套用：船舶
• 領域：能源
• 學科：熱力學

輔鍋爐組成

輔鍋爐由燃油鍋爐和燃油廢氣組合鍋爐組成。

燃油鍋爐

燃油鍋爐就是通過燃燒燃油(重柴油,重油或渣油)的化學能轉化為熱能,使鍋爐的水變成水蒸汽的設備。目前油輪上使用較多的有燃油鍋爐有:立式直水管鍋爐、D型水管鍋爐和立式橫煙管鍋爐。燃油鍋爐採用的是立式直水管鍋爐。水管鍋爐的受熱面內流動的是水或汽水混合物,而管外流動的是高溫煙氣。水管中充滿爐水,煙氣在各管之間橫向流過,傳熱效果好。點火噴油器和點火器位於爐膛上方,供入的燃油和空氣下在爐膛混合燃燒,使爐膛中的燃燒過程進行得更加完善,整個爐膛的熱負荷更趨均勻,不會產生局部過熱的現象,水管受熱面的周圍外壁上設有清理門,清垢方便,所以對水質要求也並不高。

鍋爐上面的蒸發區將飽和水加熱成飽和蒸汽,即飽和蒸汽與飽和水並存的情況。給水從上升管進入汽包後,通過爐膛加熱使汽包中的水加熱為飽和水,再使飽和水加熱成為飽和蒸汽。另一部分則與汽包中的飽和水混合後進入下降管。

廢氣鍋爐

廢氣鍋爐是船舶在航行時,用以吸收柴油機排氣餘熱而產生的蒸汽設備。它通常只能產飽和蒸汽,蒸汽蒸發量大小取決於柴油機負荷和排氣參數。廢氣鍋爐受熱面積的大小是其主要技術指標。廢氣鍋爐套用雖然可以節約燃油,並起到一定的柴油排氣消音作用,但也會使柴油機排氣背壓增高,引起柴油機功率下降,所以選用的的廢氣鍋爐,不應超過柴油機背壓提高允許值。

鍋爐在船舶動力裝置中的作用

在蒸汽輪機動力裝置的船舶上：鍋爐產生的高溫高壓過熱蒸汽用驅動主蒸汽機，以推動船舶前進，這種鍋爐稱為主鍋爐。

在柴油機動力裝置的船舶上：鍋爐產生的飽和蒸汽僅用於驅動蒸汽機、加熱燃油、滑油及滿足日常生活的需要，這種鍋爐稱為輔鍋爐。

在柴油機乾貨船上：一般裝設一台壓力為0.5—1.0MPa，產生飽和蒸汽的輔鍋爐，蒸發量為0.4～2.5T/h

在柴油機油船上：因為加熱貨油、驅動汽輪貨油泵等蒸汽等蒸汽輔以及洗貨油艙等需要大量蒸汽，所以一般都裝設兩台輔鍋爐，蒸發量常在20T/h上．

在大型柴油機客輪上：一般也裝設兩台輔鍋爐以滿足日常生活所需的大量蒸汽，且可以防止—台損壞時，影響船員和旅客的日常生活．

鍋爐主要性能指標

鍋爐的主要性能指標有：蒸發量、蒸汽參數、鍋爐效率，受熱面積及蒸發量，爐膛容積熱負荷等．

選擇燃油鍋爐的依據主要是蒸發量和蒸汽參數；

選擇廢氣鍋爐的依據則是受熱面積和蒸汽工作壓力。

1.蒸發量(產汽量)

在設計狀態下，鍋爐每小時產生韻蒸汽量稱為蒸發量，D表示，kg/h或t/h。

2．蒸汽參數

供應飽和蒸汽時，蒸汽參數用蒸汽的工作壓力，單位為MPa；

供應過熱蒸汽時，用蒸汽工作壓力和蒸汽溫度來表示；

鍋爐一般標註名義工作壓力，使用的工作壓力範圍上限可稍超過它，但不應超過鍋爐的最大許用工作壓力(設計壓力)．

輔鍋爐控制的特點

機艙中輔助設備的自動控制，是實現“無人值班”機艙的必要條件之一。船舶輔鍋爐是船舶動力裝置的重要組成部分。為了提高機艙的自動化程度，輔鍋爐的全自動控制是必不可少的。對於小型輔鍋爐，由於產生的蒸汽主要供主機暖缸、加熱燃油以及日常生活用，故對蒸汽參數的穩定性要求不高，一般採用雙位控制或比例調節，允許蒸汽壓力在設定範圍內波動，實現有差調節。對於大容量的油輪輔鍋爐，因為加熱貨油、驅動貨油泵、鍋爐給水泵等蒸汽輔機以及洗艙的需要，多採用比例——積分環節，使蒸汽壓力基本穩定在設定值，實現無差調節。
作為過程控制的一個典型，輔鍋爐的控制具有以下特點：

（1）鍋爐控制的動態特性具有大慣性大延時的特點，而且伴有非線性。

（2）控制過程屬於慢過程、參數控制。由於控制過程具有大慣性大延時的特點，因而決定了鍋爐控制過程是一個慢過程。

（3）定值控制是鍋爐控制的一種主要形式。在鍋爐控制系統中，其給定值是恆定的或保持在很小的範圍內變化，控制的主要目的是在於如何減小或消除外界干擾對被控制量的影響。
船用輔鍋爐的控制一般分為燃燒器管理和燃燒過程的負荷控制。鍋爐燃燒器管理系統是指按程式執行鍋爐的起動和停爐，任一動作未完成前系統都決不會執行下一步。若某一步動作的完成超過了預先設定的時間，系統將自動復位並發出報警。燃燒過程的負荷控制是指監控和安全保護，對系統一切可能發生的非正常運行予以監視，當發生風機失靈、點火失敗、中途熄火、危險低水位、危險高汽壓等重要故障時，應實施停爐並進行聲光報警。對工作油泵、水泵電機過電流故障，應採取啟動相應備用泵等措施。對非重要故障（如高水位、高油溫）則只發出聲光報警。

輔鍋爐自動控制的原則和要求

輔鍋爐系統的控制原則是確保其運行經濟性、降低能耗和維修費用，整個系統的控制可分為三個部分，即燃燒程式控制、燃燒自動控制和給水自動控制。
燃燒程式控制系統控制與燃燒器點火、熄火有關的一整套程式，包括點火前油泵和風機的起動、預掃風和風油門控制、點火過程、熄火後的後掃氣以及在多燃燒器系統中根據負荷變化自動調節燃燒器工作數量，還有對點火失敗、缺水、爐前風壓低等非正常情況的報警及自動保護措施。這一系統基本上屬於對開關量的順序邏輯控制，雖然控制過程複雜，可靠性要求高，但輸入/輸出（I/O）點不多，很適合用僅有開關量功能的低檔PLC控制。

根據負荷變化，對燃燒工況的自動調節，目的在於控制鍋爐的供汽壓力和溫度，使其穩定在給定值以滿足設備的需要。同時調節給油量和進風量的比例，保持合適的過量空氣從而使燃油充分燃燒，達到安全和省油的目的。在主鍋爐或大型油、客輪的輔鍋爐控制中，此系統的主要被控量是模擬量，應採用具有多個模擬量PID調節迴路功能的中檔PLC。

由於對小型船用輔鍋爐的蒸汽品質要求不高，可採用雙位調節（即高壓停爐，低壓起動），或採用單調節器的簡單比例調節，或用分檔方式將連續的汽壓信號變成開關量，實現近似的連續閉環調節。最後這種方式很適合於用低價的開關量PLC完成這一調節功能，同樣可達到較高的調節質量，並可與前述的燃燒程式控制系統使用同一個小型或超小型PLC。
同樣，給水自動調節系統亦可根據鍋爐性能及大小、控制質量要求分別採用雙位調節或單衝量、雙衝量以至三衝量連續調節。用具有模擬量控制功能的PLC實現雙衝量或三衝量的調節都很方便而無須增添新的控制單元，因而較容易實現高質量的給水控制，而一般輔鍋爐則多採用雙位調節方式，可與前兩個系統共用一個小型或更小型的PLC來實現。

輔鍋爐的主要調節任務

船舶輔鍋爐設備根據生產負荷的需要，供應一定壓力和溫度的蒸汽，同時要保證在安全、經濟的條件下運行。所以，其主要的調節任務有

（1）鍋爐供給負荷的蒸汽壓力保持在一定範圍內；

（2）鍋爐汽包中的水位保持在一定範圍內；

（3）爐膛負壓保持在一定範圍內；

（4）保持鍋爐燃燒的經濟性和安全運行。

輔鍋爐自動控制的原理

鍋爐是船上最早實現自動控制的裝置之一，其控制項目包括：水位自動控制、燃燒自動控制、鍋爐點火及燃燒時序自動控制和自動安全保護。

（1）水位自動控制的目的是保持鍋爐的正常水位，即控制給水泵的起停或給水閥的開度，從而控制給水量與鍋爐的蒸發量相當，以適應鍋爐負荷的變化。

在蒸發量較小、蒸汽壓力較低的輔鍋爐中，大多數採用雙位水位自動控制，即當鍋爐水位達到水位下限時，自動起動給水泵向鍋爐供水；當水位達到上限水位時，自動停止給水泵的工作。因此，這種鍋爐工作時水位在一定範圍內波動而不會穩定在某一給定值上。

在大型的油輪上，輔鍋爐的蒸發量一般很大，汽壓較高，它要求水位穩定在給定值上。所以，控制給水一般通過改變調節閥的開度來實現，即根據水位的偏差信號來控制給水閥的開度，從而使給水量適合蒸汽流量的變化。

（2）在燃燒自動控制系統中，被控量是鍋爐的蒸汽壓力，在單衝量控制系統中，控制器根據汽壓的高低自動改變進入爐膛的燃油量和送風量，維持鍋爐汽壓恆定或在允許範圍內波動，並維持一定的風油比，以保證獲得較高的經濟效益。

對於貨輪輔鍋爐，燃燒控制系統要求簡單、可靠，而且對鍋爐的經濟性要求不是很嚴格，因此大多數採用雙位控制。在油輪輔鍋爐中，要求汽壓穩定，同時對鍋爐的經濟性要求也比較高，這就要求控制系統在不同的負荷下保證一個最佳的風油比，所以通常採用比例積分控制或更好的控制算法。油輪的燃燒自動控制系統通常由兩個迴路組成。其中一個迴路根據汽壓的偏差信號經比例積分的蒸汽壓力調節器來控制燃油調節閥的開度，即改變向爐膛的噴油量。噴油量的改變必須同時改變送風量，所以另一迴路就是根據燃油量的多少來改變送風量，以達到最佳的風油比，從而獲得較高的經濟效益。
（3）輔鍋爐點火及燃燒時序控制是指給鍋爐一個起動信號後，按時序的先後進行預掃風、預點火、噴油點火，點火成功後對鍋爐進行預熱，接著轉入正常燃燒的負荷控制階段，同時對鍋爐進行一系列的安全保護。一般情況下，輔鍋爐的點火及燃燒時序控制包括以下步驟：
起動前的準備：檢查是否具備啟動條件。比如手動燃油速閉閥是否打開；燃油閥是否關閉；鍋爐水位是否正常：燃油壓力和溫度是否在正常的範圍內。

（1）預掃風：為了防止鍋爐內殘餘的油氣在點火時發生冷爆，在點火前應進行預掃風。此時應起動風機和燃油泵，使燃油在鍋爐外打循環，將風門開到最大，以大量風吹去殘餘油氣。預掃風時間根據鍋爐的結構形式不同而異，一般在20~60s之間。

（2）點火：預掃風完畢後，打開輔電磁閥使點火油頭投入工作，同時打開點火變壓器，點燃從點火油頭噴出的輕油，然後點燃工作油頭。

（3）預熱：點火成功後，進入預熱階段，此時燃油控制應處於手動控制，使鍋爐緩慢的加熱至一定的壓力後，將燃油控制轉為自動控制，進入正常燃燒階段，此時，控制系統根據鍋爐的負荷調整噴入爐膛的燃油量或改變油頭投入燃燒的數目。

（4）鍋爐自動化系統的另一個重要任務是對鍋爐進行自動保護。自動保護包括：安全保護和自動連鎖。對於全自動化的鍋爐為達到鍋爐安全、可靠的運行和無人管理的目的，當鍋爐在點火、升汽以及正常運行的過程中產生異常情況，聲光報警，這就是安全保護的任務，鍋爐的安全保護一般包括極低水位自動保護、蒸汽壓力過高自動保護、異常熄火自動保護、油壓過低自動保護、油溫過高/過低自動保護和低風壓自動保護等。自動連鎖是指當某些特定的條件成立後，才能對一些設備進行操作，比如只有當風機運轉建立風壓以後，才允許開動燃油泵和開起燃油電磁閥。

鍋爐的運行管理

冷態點火前的準備

長時間停爐後或大修後的點火稱為冷態點火。

(1)整體檢查。

(2)上水前檢查水質，加入水處理藥劑。水溫和汽包壁面溫差不宜超過60oC(最高90oC)。

(3)上水時，先、後使用兩套給水系統。煙管鍋爐上水至水位計的高水位；水管鍋爐上水至水位計的低水位。

(4)上水時檢查水位計。

點火升汽

(1)檢查油櫃油量和油溫，放殘；停汽閥關緊後開1/4圈，防止受熱咬死。

(2)點火前，預掃風5min以上。點火失敗再次點火時仍要進行預掃風至少3min。多次點火失敗時，應查明原因排除故障後再點火。萬一發生爆炸回火，應立即關閉燃油速閉閥(機旁的)並停油泵，以防造成火災。

(3) “手動控制[MANual Control]” 點火，正常運行後改“自動[AUTO Control]” 。

點火後的工作

(1)點火成功後檢查燃燒(初期冒黑煙正常)。

(2)空氣閥冒汽後關閉。

(3)汽壓<0.5MPa之前對拆卸過螺栓再次上緊(人孔[Access Hole]和手孔[Hand Hole]) 。

(4)升汽過程沖洗水位計數次，使水位計逐漸加熱，也防止水位計堵塞。

(5)點火升汽階段要儘可能緩慢(蓄水量越大，時間越長)(從點火到產生汽壓時間約占到滿壓時間2/3)。蒸發量為1~2t/h的輔鍋爐煙管2h，水管15min。

(6)汽壓達到工作汽壓後，供汽前應進行表面排污，然後暖管(水擊[Water Strike]、熱應力[Thermo-stress])(將蒸汽閥稍開，供汽加熱管路，同時開啟泄水閥)，不少於15~20min。

(7)如果兩台鍋爐同時投入工作，應先使兩者汽壓相同後再並汽。如果升汽鍋爐與另一台工作鍋爐並汽，生汽(待並)鍋爐中的汽壓應比主蒸汽管中汽壓高出0.05MPa再並汽。

運行中的管理

水位汽壓油壓油溫風壓燃燒和排煙。

(1)防止熄火：定期清洗燃油日用櫃，防止油櫃的蒸汽加熱管漏泄，經常對油櫃放殘。

(2)多燃燒器鍋爐管理：低負荷運行時，首先停用靠近爐膛出口或爐底的燃燒器，使用位於爐膛中央的燃燒器。某個燃燒器停用時應立即抽出噴油嘴，關閉風門稍留縫隙，讓漏風冷卻配風器。如所有燃燒器停用，應關閉風門和風道，以防冷空氣流入爐膛使熾熱的耐火磚牆損壞或引起水管脹接處漏泄。

(3)堅持水處理制度，防止鍋爐結垢和腐蝕。

停火留汽

鍋爐暫時不用，但保持備用狀態

(1)停火前改用柴油，或重油始終循環。

(2)停用期間改自動控制為手動控制。

(3)有壓縮空氣吹掃系統的應將噴油嘴吹掃乾淨。

(4)加水至水位計最高水位，以免看不到水位。

(5)停火後半小時下排污，排污後化驗爐水。

(6)停火留汽期間應間斷點火，保持汽壓(最高升至工作汽壓下限)，防止空氣漏入。

停用放空

當鍋爐要內部檢查或需檢修而停爐時，切斷電源，關閉停汽閥、給水閥，讓鍋爐自然冷卻。

當鍋爐無汽壓時，打開空氣閥以免鍋筒內產生真空。一般只有當爐水溫度降至50oC時可打開底部排污閥放空爐水。水管鍋爐在緊急時可在汽壓降至0.5MPa時放空。