船用燃油鍋爐點(diǎn)火環(huán)節(jié)和水位控制的改進(jìn)

鞠冀軍+陳云

摘 要：數(shù)字控制技術(shù)取代傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)是船舶自動化發(fā)展的必然，船用燃油鍋爐燃燒環(huán)節(jié)直接關(guān)系到整個(gè)供熱系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，本文對船用燃油鍋爐燃燒環(huán)節(jié)管制系統(tǒng)進(jìn)行論述，明確鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的控制對象、控制目標(biāo)以及組成部分。并基于西門子S7-200PLC，重點(diǎn)考慮點(diǎn)火過程中安全故障的檢測，設(shè)計(jì)了鍋爐點(diǎn)火燃燒環(huán)節(jié)的軟硬件控制系統(tǒng)，并在水位控制環(huán)節(jié)利用嵌入式系統(tǒng)取代原傳統(tǒng)的電極式水位檢測控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：燃油鍋爐；自動化；可編程控制器；嵌入式系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.001

0 引言

船用燃油燃油鍋爐是船舶必不可少的供熱供水輔助機(jī)械。現(xiàn)在貨船燃油鍋爐的控制技術(shù)正在逐漸數(shù)字化，具體是大規(guī)模采用PLC和嵌入式控制，以取代原有的接觸器-繼電器控制系統(tǒng)。鍋爐起動后自動點(diǎn)火和燃燒步驟，是整個(gè)鍋爐安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)最高的環(huán)節(jié)。一般鍋爐點(diǎn)火燃燒的操作流程依序?yàn)閇1]：預(yù)掃風(fēng)、預(yù)點(diǎn)火、噴油點(diǎn)火、點(diǎn)火成功、鍋爐預(yù)熱處理，緊接著鍋爐步入燃燒的正常負(fù)荷控制時(shí)期，相對應(yīng)的需要同時(shí)啟動風(fēng)機(jī)、水泵、燃油泵、蒸汽和火焰的安全監(jiān)測，以保證整個(gè)鍋爐的安全運(yùn)行。在鍋爐燃燒的主要環(huán)節(jié)中，點(diǎn)火環(huán)節(jié)是整個(gè)工作過程的重點(diǎn)，需要精細(xì)化分析，并設(shè)計(jì)相關(guān)控制程序。同時(shí)，舊有鍋爐的水位控制采用電極式雙位控制，從成本、精度以及可靠性的角度考慮，都亟需改進(jìn)。

1 燃油鍋爐燃燒器的結(jié)構(gòu)組成

船用燃油鍋爐燃燒環(huán)節(jié)主要由點(diǎn)火單元、燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)、進(jìn)風(fēng)單元、安全保護(hù)單元及操作控制柜組成[2]。燃燒器的控制單元、燃油管道、通風(fēng)管道和相應(yīng)儀表組成，如圖1所示。

燃燒器是一種將燃料和空氣，按所要求的濃度、速度、湍流度和混合方式送入爐膛，并使燃料能在爐膛內(nèi)穩(wěn)定著火與燃燒的熱能裝置[3]。一般應(yīng)用在中小型燃油鍋爐上。燃燒器構(gòu)造由以下5個(gè)系統(tǒng)組成：

（1）送風(fēng)系統(tǒng)：送風(fēng)系統(tǒng)的功能在于向燃燒室里送入一定風(fēng)速和風(fēng)量的空氣，其主要部件有：殼體、風(fēng)機(jī)馬達(dá)、風(fēng)機(jī)葉輪、風(fēng)門控制器、風(fēng)門檔板、凸輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、擴(kuò)散盤。

（2）點(diǎn)火系統(tǒng)：功能是負(fù)責(zé)在送風(fēng)的條件下，將燃料點(diǎn)燃，主要部件有：點(diǎn)火變壓器、點(diǎn)火電極、電火高壓電纜。

（3）檢測系統(tǒng)：檢測系統(tǒng)的功能在于保證燃燒器安全運(yùn)行，其主要部件有火焰監(jiān)測器、壓力監(jiān)測器、溫度監(jiān)測器等。

（4）燃料系統(tǒng)：燃料系統(tǒng)的功能在于保證燃燒器燃燒所需的燃料。燃油燃燒器的燃料系統(tǒng)主要有：油管及接頭、油泵、電磁閥、噴嘴、重油預(yù)熱器。

（5）電控系統(tǒng)：電控系統(tǒng)是以上各系統(tǒng)的指揮中心和聯(lián)絡(luò)中心，主要核心功能由PLC完成。

2 基于PLC的鍋爐點(diǎn)火環(huán)節(jié)控制

2.1 輸入/輸出口分配

根據(jù)船用燃油鍋爐的硬件系統(tǒng)的要求，選用西門子S7-200 PLC可以滿足鍋爐整個(gè)燃燒環(huán)節(jié)的控制需求。關(guān)于PLC的輸入輸出點(diǎn)分配，如表1所示。

輸入?yún)?shù)有啟動按鈕、停止按鈕、水位、蒸汽壓力、燃油壓力、燃油泄漏、火焰檢測開關(guān)。輸出參數(shù)有風(fēng)機(jī)、風(fēng)門、燃油調(diào)節(jié)器、點(diǎn)火器、熄火停爐、報(bào)警指示。

2.2 點(diǎn)火環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燃燒控制系統(tǒng)的基本任務(wù)可歸納為以下三個(gè)方面：維持蒸汽出口壓力穩(wěn)定，保證燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性和保證燃油鍋爐的安全運(yùn)行。鍋爐燃燒環(huán)節(jié)的控制，在安全保護(hù)系統(tǒng)重點(diǎn)還是在鍋爐的點(diǎn)火環(huán)節(jié)。在點(diǎn)火之前，有幾個(gè)條件必須滿足：鍋爐水位在正常水位；蒸汽壓力低于停爐壓力。其它一些準(zhǔn)備操作有：接通電源并將開關(guān)扳至“自動”位置；將風(fēng)機(jī)、燃油泵打到“自動”位置。同時(shí)，應(yīng)充分考慮燃燒嘴背壓過高而脫火，不但會污染環(huán)境更嚴(yán)重的是燃燒室內(nèi)積存大量燃料與空氣的混合物，會有爆炸危險(xiǎn)；燃燒嘴背壓過低又可能回火，會危及管道發(fā)生燃燒和爆炸。鍋爐自動點(diǎn)火過程如圖2所示。

在進(jìn)行自動點(diǎn)火過程中，首先檢查鍋爐的安全方面因素是水位，鍋爐要產(chǎn)生蒸汽，需要有穩(wěn)定的供水系統(tǒng)，如果處于危險(xiǎn)水位，那么鍋爐就不具備正常工作的條件，所以應(yīng)確保鍋爐處于正常工作水位；第二是燃油壓力，船用鍋爐與普通燃油鍋爐相似，都需有一定的壓力才能保證能夠正常支持燃燒；第三燃油是否泄漏，如果存在燃?xì)庑孤┣闆r，那么不僅浪費(fèi)燃料，而且存在安全隱患等。

確認(rèn)可以進(jìn)行點(diǎn)火時(shí)，先進(jìn)行預(yù)掃風(fēng)45秒，目的是將鍋爐燃燒室內(nèi)的多余燃油氣體吹掃干凈，防止出現(xiàn)鍋爐“冷爆”現(xiàn)象，造成人員傷亡。然后開始點(diǎn)火，點(diǎn)火使用高壓點(diǎn)火電極進(jìn)行15秒，其次關(guān)點(diǎn)火變壓器，最后檢查點(diǎn)火情況，這里不需要人去檢查，而是采用火焰檢測元件進(jìn)行檢查。如果點(diǎn)火成功，則轉(zhuǎn)入正常燃燒；如果失敗，重復(fù)進(jìn)行點(diǎn)火步驟。此時(shí)輪機(jī)管理人員，應(yīng)查明原因[4]。

2.3 鍋爐水位檢測控制的改進(jìn)

傳統(tǒng)船用輔鍋爐一般采用電極式雙水位控制系統(tǒng)，目前嵌入式控制芯片的成本很低，采用單片機(jī)水位控制可以極大的簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)基本的運(yùn)算和通信功能，電源電壓也可限制在5V之下。本文在參照傳統(tǒng)燃油鍋爐水位控制系統(tǒng)的功能和要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于AT89C52單片機(jī)為控制核心，將原本用于液位采集的電極棒，用可變電阻傳感器取代。改造后的系統(tǒng)檢測控制部分示意圖如圖3所示。

在圖3中，測量液位的電阻傳感器原理并不復(fù)雜，難點(diǎn)在于限流電阻R和水位測量電阻的阻值選取，務(wù)必要使電阻的阻值遠(yuǎn)大于鍋爐用水水體阻值。這樣，水體接觸到電阻傳感器的部分，相當(dāng)于短路，阻值可以忽略不計(jì)。這樣隨著水位的上升，模數(shù)轉(zhuǎn)換所獲得的電壓U、電阻傳感器長度L、鍋爐水位H的關(guān)系為：

其中K為正比例常數(shù)，該常數(shù)的值與實(shí)際水體的電阻系數(shù)、鍋爐體積、限流電阻與電阻傳感器的取值有關(guān)。從式中可以看出，檢測電壓與鍋爐水位成線性關(guān)系。采集的電壓信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)，經(jīng)過簡單運(yùn)算后，通過串口線接入西門子S7-200。整個(gè)電路體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單。

3 仿真調(diào)試

在經(jīng)過2.2節(jié)點(diǎn)火過程設(shè)計(jì)分析后，我們對燃?xì)忮仩t自動點(diǎn)火過程有了理論上的了解，但缺乏直觀上的表現(xiàn)。本論文先通過編寫STEP-7編好程序梯形圖，然后導(dǎo)入S7-200SIM軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。S7-200SIM是專用于用來替代PLC硬件調(diào)試的仿真軟件。由于整個(gè)點(diǎn)火過程持續(xù)一分多鐘，本文在此選取了最具代表性的兩張圖來說明。點(diǎn)火過程中的輸入設(shè)置如圖4所示。在圖4中，I0.6是輸入端連接的是火焰檢測開關(guān)，由于在仿真過程中不存在真實(shí)的火焰，用鼠標(biāo)點(diǎn)動來代表存在火焰，如圖4左上角所示，I0.6框內(nèi)打了小勾，代表有持續(xù)的火焰光源。

鍋爐點(diǎn)火過程的輸出仿真結(jié)果如圖5所示。

在圖5的輸出結(jié)果的左上角可以看到風(fēng)機(jī)Q0.0、風(fēng)門Q0.1、燃油控制閥Q0.2、燃油調(diào)節(jié)閥Q0.3、正常燃燒指示Q0.5接通運(yùn)行，此時(shí)點(diǎn)火成功。點(diǎn)火成功后，點(diǎn)火器自動停止點(diǎn)火，所以點(diǎn)火器Q0.4的燈是熄滅的，不運(yùn)行。從仿真的驗(yàn)證結(jié)果看，改進(jìn)后的系統(tǒng)初步可行。

4 結(jié)束語

PLC和單片機(jī)的廣泛應(yīng)用不但極大的簡化了系統(tǒng)，而且使控制精度和故障監(jiān)測更為靈敏，相對于舊式的繼電器檢測控制系統(tǒng)有很大的優(yōu)勢。但也有不足之處，例如傳統(tǒng)采用繼電器控制的鍋爐燃燒和水位控制，一般的維護(hù)人員都可以勝任其管理工作。但采用PLC和單片機(jī)控制后，對維護(hù)人員的電子電氣知識將有較高要求。不足之處有待進(jìn)一步實(shí)踐檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]鄭鳳閣.輪機(jī)自動化[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2002.

[4]吳旭明，戴峰，葉勝利.燃油、燃?xì)忮仩t爆燃事故的有效防治分析[J].科技與創(chuàng)新，2011（02）：79-83

作者簡介：鞠冀軍（1968-），男，技師，主要從事電子電氣方面的實(shí)訓(xùn)和教研工作。endprint