增压锅炉机组重要热工参数的选择

增压锅炉机组重要热工参数的选择
摘要：增压锅炉机组是大型蒸汽动力装置的一项非常重要的技术，它是基于
船舶常压锅炉的研制实践，通过大量的模拟软件对其进行数值模拟，获得了各主
要性能指标和相应的变化，从而大大地改善了机组对外部负载的适应性。

本文通
过对其热力学特性的影响，对其动力特性的影响进行了研究，提出了一种新的动
力特性计算方法，并在此基础上提出了一种新的动力模拟算法。

关键词：增压锅炉机组；热工参数；参数选择
引言
增压锅炉是由动力驱动型锅炉发展的主要方向，因此必须加大对其研发力度。

但国内现有的船舶涡轮增压机组的热力学计算规范及数据缺乏，缺乏相关的实验
和验证方法，因此在热力学参数选取方面存在一定的难度。

本文在总结近年来我
国船舶涡轮增压技术的基础上，结合自身的实际工作，对船舶涡轮增压技术关键
参数的选用进行了探讨。

一、增压锅炉热力性能参数变化规律
第一，锅炉容积热负荷、增压比和蒸气产出率的关系。

通过多次试验，发现
炉体内的热载率与内燃机的增压比例基本呈直线，而内燃室内的热能负载与内燃
机的增压比例呈线性变化。

随着增压比例的改变，燃油消耗也随之发生变化，同
时也会影响到锅炉的蒸发量。

第二，锅炉的过热蒸气和冷却水的变化。

随着负载
的增大，辐射型过热器的出汽温逐渐降低，而随着负荷的增大，其过热蒸汽的温
度也随之发生改变。

改变因换热方法的不同而导致的效果也不尽相同，因为过热
器所处的位置，导致的蒸气温度随着负载的改变而改变，而对流过热器吸热的增
大会严重地影响到水蒸气的烘烤，因此，在保证设备和功率控制方面，应选用一
个相对稳定的半辐照过热器。

根据工作物质的受热情况，经济器可分为沸腾式及
非沸腾式两种。

在船舶上，通常仅采用非沸腾型经济器，在经济器出口处设置水
温现场和遥控测点，根据可靠与安全的条件要求，以及监测经济器出口水温的变
化，并监视经济器出口水温的变化，经济器出水的温度应低于饱和温度。

第三，
研究了高炉内的理论火焰和出口烟气的分布。

当负载增加时，炉内换热温差减小，按照热均衡方程，随负载增加，炉内吸热系数下降。

第四，透平机的运行参数随
时间的推移而改变。

当负载增加时，经济器排烟温度上升，助燃气流的升温对增
强炉内的燃烧起到促进作用[1]。

第五，热损失及效率变化的关系。

随着负载增大，增压锅炉的工作性能也随之下降；空气流速值与燃油消耗呈线性相关，当压力比
增加时，烟道浓度增加，但当压力比增加时，其速度几乎没有明显改变。

二、重要热工参数的选择
（一）过剩空气系数
过量空气系数是影响机组运转的一个关键经济参数，过量空气系数的大小与
燃料品质、燃烧方式、设备和负载状况密切相关。

在涡轮增压型锅炉中，当过剩
空气系数值升高时，燃气涡轮所需的能量要大于压气机所需的能量，可以提高涡
轮的剩余电量，从而使涡轮的能量更多。

事实上，为了防止船舶的压力过大，使
其多余的能量无法得到充分发挥，因此，在这种情况下，涡轮增压器只能提供增
压和加热的功能，因此，选择的过剩空气系数值与常规的压力锅炉相同，应该尽
可能地减小。

从燃烧的观点来看，在增压过程中，由于热风浓度较高，所以增压
锅炉过剩空气系数建议采用1.10～1.20。

（二）涡轮增压率ε
在选择增压系数时，必须综合考量发动机的性能、增压机组的动力和重量、
护板的强度和密封性能。

对于整体设备来说，改善EPS具有以下优点：第一，加
快反应速率。

当反应速率与εn-1的比率时，碳粉颗粒会发生反应，其反应级次
n=2，因此，随着ε增加，反应速率增加，反应速率增加。

而随着浓度增加，气
体浓度增加，则使反应速率加快。

第二，烟雾的辐射量大幅度提高，因而增大了
辐射换热量。

第三，将气体容积减少到1/ε，对于减少调节装置的大小是非常有
益的，因此更易于将燃烧室设置在小的炉壁上。

第四，增加增压器的残余电力，
从而增加发电设备的整体功率和总体效率。

但是，增加EVA有其缺点：一是对锅
炉防护罩的强度有较高要求，增加了防护罩的密封性的同时，也加了防护罩的结
构加工难度。

二是由于增压器的体积变大，其设计和安装更加困难。

三是如果不
充分使用升压装置的残余能量，将会造成升压装置的热耗增大，从而降低锅炉的
效率。

通常，压力比值在3～6之间比较合适。

根据以上的分析，对于需要少量
的剩余电力或者不需要使用多余电力的设备，ε数值建议在3～4之间，只要可
以达到燃烧状态即可。

（三）条形烟道流量W
W的变化与燃烧过程中每公斤燃料产生的烟气量、烟气温度和烟气流动断面
有关。

在现代船舶锅炉发展过程中，如何通过增加烟气速度来加强对流换热，减
小锅炉重量，是目前船舶锅炉发展的一个关键问题[2]。

在常规压力下，由于受风
机压力的制约，很难持续地增加烟气速度。

因为风扇的功率消耗太大了，这对于
发电设备的经济效益来说是非常不利的，而增压式的蒸汽机则没有这个要求。

因
为采用增压装置取代了风机，利用烟道自身产生的热量来增加空气压力，在增压
时可以有很大的压力下降，从而大大地提高了烟流速度。

当然，选用合适的烟流
速度，与锅炉的受热表面的布局、工作稳定性、启动功率要求和系统的构造有关。

在实际工程中，在2～6个大气压的压气机出口处，流经该机组的压气量大约为
5～10%。

在增压装置中设置的压力越大，自然越能促进烟气速度的提升。

结果显示，在压力下，增压锅炉的烟道直线流速可达到200-300米/秒（这是换算为常
压下的转速），并且可以达到300-500N/(m2s)，这时，换热因子可以增加到320-470W/(m2）。

结束语
总之，所谓增压式燃烧，就是以压气机代替鼓风，将高压气体输送到炉内，
为锅炉供给高温、高浓度的可燃气体。

与普通锅炉相比，加压装置节省了大量的
蒸汽损耗，从而改善了整体发电设备的经济性能，因此应对进行重点研究。

本文
从增压锅炉机组重要热工参数的选择入手，对数型船舶增压锅炉进行了热力校核，得到了与现场实际相符的结论。

从这一点可以看出，我国船舶涡轮增压锅炉的热
力学基本原理的探索已经有了一些突破性进展。

参考文献
[1]黄文元,王刚,倪何,覃海波,金家善.船用增压锅炉装置的降负荷控制策略[J].哈尔滨工业大学学报,2017,49(07):165-170.
[2]李东亮,程刚,耿江华,詹国强.舰船增压锅炉系统特性优化控制研究新方法[J].计算机仿真,2017,34(06):1-6.。