船舶辅机-船舶辅锅炉(哈工程出版社)

第一章船舶辅助锅炉

第一节概述一、功用和工作过程1功用辅助锅炉：在内燃动力装置中，提供辅助热源（蒸汽、热水或热油）。对燃油和润滑油加热；满足船员、旅客日常生活的需要；其他辅助机械的需要（空调、海水淡化）；油船辅助机械的动力能源（辅助汽轮机、甲板机械）；其他方面：消防、清洗设备等。与主锅炉相比，辅助锅炉容量小、压力低、结构简单、维护方便和易于控制陆用锅炉：电站锅炉、工业锅炉和生活锅炉。2工作过程（1）燃烧过程：燃料燃烧，产生热量的过程。（2）传热过程：燃烧产生的热量（火焰和焰气）向工质（水或油）的传热过程。（3）工质循环过程（水的汽化）：工质将受热面上的传来的热量带走的过程。二、辅助锅炉的分类1按加热方式分

燃油锅炉、废气锅炉和组合锅炉2按结构形式分（1）烟管式：受热面管内流动的是高温烟气，管外流动的是水。（2）水管式：受热面管内流动的是水或汽水混合物，管外流动的是高温烟气。（3）组合式：烟管式和水管式的组合。烟管：烟气和管壁间的对流放热系数较小，效率、蒸发强度较低，炉体较笨重，蒸发量和工作压力受到限制。因蓄水量大，负荷变化时，工作压力较稳定，持续供汽时间长，对炉水质量要求不高。水管：对流放热系数较大（烟气横向冲刷），传热效果较好，蒸发强度大，启动快，重量轻，体积小。适应负荷变化能力差，汽压和水位的波动较大，因水垢较难清除，对水质的要求较高。水管锅炉在船舶上应用较广。3按锅水循环方式分（1）自然水循环：锅炉中锅水和蒸汽混合物因密度差而形成有规则的，有一定方向的流动。（2）强制水循环：锅炉中锅水和蒸汽混合物的流动是利用循环泵来实现的。

特点：启动迅速，产汽快；尺寸重量大大减小；受热面布置自由；增加了循环水泵，对锅水要求较高。4按炉体布置方式分:立式和卧式；横管和竖管a卧式横置烟管燃油辅锅炉。b三鼓筒（人字型）燃油水管辅锅炉。c烟管水管联合辅锅炉d废气锅炉

5按供汽压力分低压锅炉：蒸汽压力<2MPa

中压锅炉：蒸汽压力为2～6MPa

高压锅炉：蒸汽压力>6Mpa三、辅助锅炉装置的基本组成1主体锅：存水和汽的部分，也是受热主体。炉：燃料和燃烧产物发出热量的场所（炉膛或燃烧室）。空气预热器：将进入炉内参加燃烧的空气预先加热。经济器：利用烟气加热给水。过热器：产生过热蒸汽。2附属设备燃油输送和燃烧设备：保证燃油连续输送和在炉膛内良好地燃烧。通风设备：把燃烧所需的空气送入炉膛并把烟气排出锅炉。测量和控制设备：保证锅炉安全、可靠和连续地与运行。四、主要技术参数1蒸汽参数（工作压力、工作汽压）p：饱和蒸汽时，以工作压力表示；过热蒸汽时，以工作压力和蒸汽温度表示。额定工作压力和最大工作压力。

2蒸发量（产汽量）D：在工作压力下，每小时产出的饱和蒸汽量。

kg/s、t/h

额定蒸发量和最大蒸发量。对于热水锅炉为产热量。3效率：锅炉中有效利用的热量与燃料完全燃烧时所放出的热量之比。4蒸发率Y：每平方米受热面积所蒸发的蒸汽量。

Kg/m2h5炉膛容积热负荷q：单位时间内，炉膛中产生的热量与炉膛容积之比。kCal/m3h6蒸发受热面积H：燃料燃烧产生的热量传给炉水和蒸汽等的烟侧表面积。蒸发受热面积和其他受热面积（过热器、空气预热器和经济器等）。第二节燃料、燃烧和热损失一、燃料1种类定义：通过燃烧产生热量，经济上值得利用的可燃物质。有机燃料和和燃料；固体、气体和液体；液体：汽油、煤油、柴油和常压渣油（重油）气体：CO、CH4等

2成分固体和液体为高分子化合物。元素成分：C、H、O、N、S、W（水分）和A（灰分）。其中C含量(质量百分数)为84～87%，H含量为11～14%，O、N和S<1%(含S高的可达2.5～5%)。3燃油特性对燃烧的影响（1）闪点和燃点闪点：火焰接近油面上的油气和空气混合时引起混合物闪火的最低温度。燃点：可以燃烧时的温度。一般比闪点高10～20°C。

为了安全，燃油的预热温度应低于闪点4°C。（2）粘度对燃烧器的特性和燃烧有着重要影响。粘度过大：输送困难，雾化不良，燃烧不好，燃烧器供油不足，点火困难，喷油嘴出口处易结焦。粘度过小：喷油过多，燃烧不好，冒黑烟，耗油量过大。通过调节预热温度，保持合适的粘度。（3）发热量

单位质量燃料完全燃烧时产生的热量。

高发热量：烟气中的水蒸汽凝结成水时的发热量。低发热量：烟气中的水蒸汽未凝结成水时的发热量。油的发热量一般为：38250～43964kJ/kg

标准煤的发热量为：29271kJ/kg（4）灰分、水分和含硫量灰分、水分不取决于燃油的有机成分，而决定于他的生成条件、采油方式和运输条件。水分：一般为1～2%，运输后达5%。消耗燃油的发热量，使燃油起泡，造成火焰燃烧跳动，不稳定。当水分增至10～15%时将造成燃烧困难，必须进行处理。含硫量：一般为3%以内，虽可燃烧，产生热量，但回生成SO3，与水蒸气合成生成硫酸蒸汽，当排气温度低于露点温度时会形成硫酸，对受热面造成腐蚀。因此要保持排气温度高于露点温度。其他物性：比热、凝固点和残碳等。二、燃烧1燃烧定义：燃料中可燃物质与空气中的氧化合，产生光和热的现象。液体燃烧强度与可燃分之与空气中氧分子碰撞几率成正比。液体燃烧取决于以下条件：1）油滴蒸发速度：油滴蒸发面积、油汽蒸发压力和油温；2）油汽与空气相互扩散的速度；3）油汽氧化速度：环境温度越高，氧化速度越快。2完全燃烧和不完全燃烧完全燃烧时C氧化生成CO2，不完全燃烧时C氧化生成CO。不完全燃烧时产生的热量少。3

过量空气系数

过量空气系数表示为1kg燃油燃烧所用的实际空气量与所需的理论空气量之比称为空气过量系数。

=Vh/V0

Vh——实际供给空气量。

过量空气系数过小，将引起不完全燃烧。过量空气系数过大：1）炉膛温度下降，产生不完全燃烧；2）烟气体积增加，加大了排烟损失；3）容易造成尾部受热面腐蚀。过量空气系数一般为1.05～1.2左右。三、热损失1锅炉的热平衡

输入锅炉的热量与锅炉输出的热量之间的平衡。热平衡方程：QZO=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+（Q6）QZO：随每公斤燃料输入锅炉的总热量；

Q1：有效利用热量；

Q2：排烟损失热量；

Q3：气体不完全燃烧损失热量；QZO

Q4

：固体不完全燃烧损失热量；

Q5：散热损失热量；

Q6：灰渣物理热损失。2热损失分析各种损失用百分数来表示。

q1+q2+q3+q4+q5=100%q1：锅炉效率；（q3+q4）：不完全燃烧损失；（CO、H2、CH4和碳黑等）

q2：排烟损失；（烟气离开锅炉时，高于周围环境温度引起的，他与烟气温度和烟气量有关）。

q5：炉体及设备散热损失热量；（与散热面积、形状、环境温度和设备外壁温度等因素有关。外壁温度应小于50°C）。第三节锅炉的水处理一、锅炉水处理的意义1防止结垢；

水垢的危害：1）降低传热系数：使排烟温度升高、燃料耗量增加、锅炉效率降低。2）降低水的流通面积，增加流动阻力。3）受热面过热而破坏。4）易形成“垢下腐蚀”。2当炉水的碱性不足时，促使受热面腐蚀；3当炉水的碱性过强时，使金属材料产生苛性脆化；4蒸发面上的杂质、油污、漂浮物易造成事故。二、锅炉水质的控制1锅炉水的类型生水（原水）：未经处理过的天然水。给水：经过处理后的送进锅炉内的水。炉水：锅炉本体内流动的水。排污水：为改善蒸汽品质，用排污的方法排出的水。凝结水：锅炉产生的蒸汽加热后冷凝以后的水。疏水：各种蒸汽管道和用汽设备中凝结成的水。

2水质主要控制指标（1）硬度水中Ca2+和Mg2+离子的浓度。单位为“mg当量/L”，表示为

N·10-3。（2）碱度水中带碱性OH-、CO2-、HCO-3和PO34-离子的浓度。（3）含盐量水中Cl-离子的浓度（反映含盐量的多少）。（4）杂质：

悬浮物、油污等。3水质控制标准我国尚未制订统一的船用锅炉用水的水质控制标准。1981年交通部颁布了“交通部直属水运船舶锅炉水质标准及处理规程（试行）”规定：

三、锅炉水质的测定和处理1水质的测定炉水应通过冷却后取样。碱度采用酚酞试剂测定；盐度采用硝酸银试剂测定；硬度采用皂液法试剂或滴定法测定；2水质的处理通过排污可以减少炉水中的杂质和含盐量。使用试剂平衡硬度和碱度。第四节船舶辅助锅炉结构一、卧式横置烟管锅炉烟气有三个流程。优点：烟气流程长，流速高，传热效果好，经济性好，重心低，适合于中小船舶。缺点：螺旋管增加了流动阻力，挡火墙增加了锅炉的重量，烟气分配不均匀，体积大，燃烧室、烟箱密封性差。二、立式横置烟管锅炉炉膛出口喉部是为了加大燃气流速，更好地使燃油和空气混合。炉膛内为1400～1700°C，燃烧室温度为700～900°C，烟箱内温度为250～350°C。优点：结构简单，占地少，炉膛辐射受热面大，控制、操作、保养和管理方便。缺点：燃烧室易受热变形，密性差。制造工艺差，烟道流程短。排烟损失大，炉水循环不规则，产汽量偏低。

三、D型水管锅炉（二鼓筒）

上鼓筒为汽鼓筒，下鼓筒为水鼓筒。在汽鼓筒和水鼓筒之间为自然水循环。经济器内水是强制循环。实物图片工作原理燃油在炉膛中进行充分燃烧，产生高温烟气，并以辐射的方式将热量传给靠近炉膛的水冷壁和沸水管受热面。炉墙由于有水冷壁的遮挡吸热，可免受炉内火焰的直接热辐射而得到保护。烟气在锅炉炉膛内的理论燃烧温度约可达1700度左右。烟气离开炉膛后，流到蒸发管束中。由于烟气在炉膛内辐射传热，已将热量传给水冷壁和前几排沸水管，烟气在炉膛出口处的温度已经降为1100度左右。随后烟气主要以对流放热的方式，依次将热量传给后几排沸水管、经济器、空气预热器等受热面，最后烟气经烟囱排入大气，此时排烟温度已降为150～250度左右。炉水循环锅炉效率炉膛中的水冷壁和前几排沸水管束又称为辐射受热面，后面的沸水管束、经济器、空气预热器又称为对流受热面。辐射受热面由于吸收的热量大，炉水中蒸发产生的汽泡较多，因此汽水混合物的密度较小，而后几排沸水管中的炉水，因烟气温度降低，其换热主要以对流方式进行，吸热较少，基本不含汽泡，汽水混合物的密度较大，这样在同样高度下，就因两者之间密度差而产生了静压差，使密度小的炉水上升，密度大的炉水下降，这样的炉水循环称为自然水循环。为改善水循环状况，大多数自然水循环锅炉在炉墙外部设置不受热的下降管。水管锅炉的效率较高，一般辅锅炉可达80％～85％，有些带尾部受热面的可高达92％以上。水管锅炉没有又厚又大的锅壳，蓄水量小，单位蒸发量的相对体积、重量较小。蒸发量最大可达100t/h，工作汽压可高达10MPa。因为水管锅炉炉水有一定的循环路线，加之蓄水量少，结构刚性又小，故点火升汽时间较短，一般为几十分钟。目前，采用自动调节解决了汽压、水压波动快的问题；同时以海水淡化装置所产蒸馏水作锅炉补给水，加之化学除垢已普遍使用，故水管锅炉对水质和除垢要求高的问题也不难解决。因此，水管锅炉已成为船舶锅炉的主要形式。炉膛、烟道水冷壁过热器经济器空气预热器四、立式短直管锅炉分上下两个锅筒中间用直立水管相连，小直径为上升管，大直径为下降管。该型锅炉为小型锅炉。它既有水管锅炉效率高的优点，又有火管锅炉储水量大，维护管理简单方便的优点。缺点是：燃烧室烟气出现偏流。下降管处于受热区，不能改善锅水循环。下脚圈清洁困难。五、强制水循环锅炉锅炉本体为双金属层结构，中间为空气或隔热材料。四周为水冷壁，内部为单根无缝钢管盘绕而成，下部为炉膛。循环水泵将汽水分离室内的饱和水送入盘管内加热，含有蒸汽的锅水回到汽水分离室内，汽水分离后，蒸汽经上部输汽阀输出。该锅炉传热效率高，重量体积小。但增加了水泵和汽水分离室等设备。六、废气锅炉主机为四冲程柴油机的排气温度为400～440°C，二冲程柴油机的排气温度为250～380°C。工作压力为7bar的饱和温度为164°C。因此柴油机的排气余热可以利用。废气锅炉有：火管和水管，自然循环和强制循环等类型。立式火管废气锅炉：圆筒形锅壳、端板、烟管和进出口烟箱。废气锅炉特点：结构简单，制造方便；但工作压力低，体积重量大，水垢不易清除。锅炉的负荷（蒸发量）调节：1）旁通调节；2）调节锅内水位。3）多余蒸汽溢放1）两者各自独立；废气锅炉与辅助锅炉的关系：2）废气锅炉为辅助锅炉的附加受热面3）组合成一个锅炉

第五节燃油系统和装置一、燃油系统从锅炉日用油柜至燃烧器之间的管系和各种设备

组成：（1）重油油柜、（2）加热器、（3、14）温度计、（5、16、19）温度调节器、（28）风、油比例调节器、（27）回油调节阀、（31）安全阀黏度控制在1.5~2.5°E，重油第一次加热是保证油泵正常工作，第二次加热是保证燃烧器正常工作。安全保护：温度调节器19、安全阀31、主电磁阀27等。压缩空气：定期进行吹洗燃烧器。二、燃烧装置（燃烧器）1喷油器（1）作用：把1.5~2.5°E的燃油雾化成油雾喷入炉膛，以利于与空气均匀混合而获得完全燃烧。影响雾化质量的因素：1）油压：油压越高，喷出速度越快，雾化质量越好。2）油孔直径：油孔直径越小，形成的油膜越薄，雾化质量越好。3）油液旋转的强烈程度：油液旋转越强烈，形成旋涡的直径越大，油膜越薄，越利于雾化。4）油的黏度：油的黏度越小，油液分子间的摩擦力越小，油膜越易破碎，雾化质量越好。（2）类型①压力机械喷油器：利用燃油压力和喷油器几何形状来实现燃油雾化。结构：喷嘴帽、雾化片、喷嘴体、筒身、滤器。

②回油式喷油器：利用回油来调节喷油量。③转杯式喷油器：利用高速旋转的转杯产生的离心力来实现燃油的雾化。④蒸汽雾化喷油器：利用蒸汽压力能转化为速度能来实现燃油的雾化。2调风器（1）功用：调节来自风机的空气，使风量和风向有利于油雾均匀混合并实现良好的燃烧调节，且不论锅炉负荷的大小，均能保持火焰的稳定。（2）结构：外圆筒、内圆筒、挡风罩、活动导叶和固定导叶等。喷油嘴和电点火器位于挡风罩内。（3）工作原理：风机送入的空气分为一次风和二次风。通过挡风罩进入炉内的空气为一次风（约10~30%）

一次风作用：1）冷却喷油器；2）与喷油器喷出的油雾混合，防止燃油在高温缺氧下裂介。除去一次风，其余空气斜向叶片引导，形成既前进又旋转的二次风。二次风作用：1）供给燃烧所需的空气并使其与油雾强烈混合，达到完全燃烧的目的；2）建立回流区，使高温烟气流回到火焰根部，保证燃烧的连续和火焰稳定。三、电点火器作用：自动点燃燃油。两根耐热金属丝（铬镁合金或铬镍合金）折成一定角度，两端点距3~5mm，通入高压电时，产生点火花，点燃燃油。四、送风风机功用：为燃烧提供和调节所需的空气。送风风机由恒速电动机驱动。风机风压由炉膛内燃烧的压力决定（需要正压或负压）。通过调节风道中的挡板来改变风量。第六节水、蒸汽系统和设备一、水、蒸汽系统1蒸汽系统作用：根据不同的需求，将蒸汽送至各用汽设备。锅炉蒸汽出口停汽阀8上设有单向阀，蒸汽通过总分配联箱2经减压阀3送至低压分配联箱4。蒸汽压力调节阀6，在产汽量大于需要量时，向大气冷凝器释放多余蒸汽。两个接岸供汽管接头7（左右各一个），在辅锅炉停炉时，由岸上或其他船供汽。泄水管放出暖管时产生的冷凝水，防止水击。2凝水系统作用：回收各处的蒸汽凝水，防止油污进入锅炉。返回的蒸汽凝水经滤器18和阻汽器17、凝水回流联箱9，进入观察柜，观察凝水中是否有油液，如无油液，再送至热水井。3给水系统作用：向锅炉提供足够量和符合要求的给水。每台辅锅炉（或废气锅炉）均有两根给水管，一根为备用。进入锅炉前设有止回阀12和截止阀11，给水进入锅炉后，由内给水管送入工作水面以下均匀送水。4排污系统作用：将锅炉内的污物、杂质或含碱量、含盐量过高的炉水排出锅炉外。在最高水位14和最低水位13分别设有排污漏斗。将炉水加至最高水位时，表面污物通过最高水位排污漏斗、内部接管和排污阀排出。底部排污要求在锅炉熄火后或负荷较低时进行。每次排污时间不能过长。一次排污排不尽时，可进行多次。排污管上除了安装截止阀外，还需安装流量调节阀和止回阀。二、水、蒸汽系统设备1水位表作用：监视锅炉水位，确保锅炉安全运行。术语：“满水”、“失水”结构：玻璃管1、通汽阀2、通水阀4、止回阀3、和冲洗阀5。主要有板式和管式两种形式。每台锅炉在前后两侧各设一只水位表。

2安全阀作用：当锅炉内蒸汽压力超过一定值时，安全阀自动开启，排出蒸汽，直至压力降到一定值时自动关闭，确保锅炉安全运行。结构：阀盘4、阀座2、阀体1、弹簧9、调整环3和内套5等。阀盘外围为唇圈，他保证安全阀开启迅速，一开启就开足并能保持稳定。同时使开启大于关闭压力。两个弹簧式安全阀组装在一个阀体内，构成双联式弹簧安全阀。为防止意外，设有人工开启机构。3热水井作用：储水作用和缓冲作用。过滤匝和过滤筒（丝瓜筋、活性碳和毛巾）进行吸附和过滤，去除污物、油滴和杂质等。

第七节辅助锅炉的自动控制一、自动控制内容1水位控制保证水位在“正常水位工作。对于小蒸发量锅炉采用旋涡泵间断式供水方式。进行双位调节，使水位在60~120mm范围内波动。对于大蒸发量锅炉采用多级离心泵连续式供水方式。进行比例调节，使水位在50mm范围内波动。2燃烧控制燃烧控制采用程序控制：1）对炉膛扫气30sec；2）高压点火，发火30sec；3）喷出燃油并燃烧；4）根据蒸汽压力自动调