船用燃油鍋爐點火環節和水位控制的改進

鞠冀軍+陳云

摘 要：數字控制技術取代傳統繼電器控制系統是船舶自動化發展的必然，船用燃油鍋爐燃燒環節直接關系到整個供熱系統的安全與穩定，本文對船用燃油鍋爐燃燒環節管制系統進行論述，明確鍋爐燃燒控制系統的控制對象、控制目標以及組成部分。并基于西門子S7-200PLC，重點考慮點火過程中安全故障的檢測，設計了鍋爐點火燃燒環節的軟硬件控制系統，并在水位控制環節利用嵌入式系統取代原傳統的電極式水位檢測控制系統。

關鍵詞：燃油鍋爐；自動化；可編程控制器；嵌入式系統

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械。現在貨船燃油鍋爐的控制技術正在逐漸數字化，具體是大規模采用PLC和嵌入式控制，以取代原有的接觸器-繼電器控制系統。鍋爐起動后自動點火和燃燒步驟，是整個鍋爐安全運行風險最高的環節。一般鍋爐點火燃燒的操作流程依序為[1]：預掃風、預點火、噴油點火、點火成功、鍋爐預熱處理，緊接著鍋爐步入燃燒的正常負荷控制時期，相對應的需要同時啟動風機、水泵、燃油泵、蒸汽和火焰的安全監測，以保證整個鍋爐的安全運行。在鍋爐燃燒的主要環節中，點火環節是整個工作過程的重點，需要精細化分析，并設計相關控制程序。同時，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。

1 燃油鍋爐燃燒器的結構組成

船用燃油鍋爐燃燒環節主要由點火單元、燃氣控制系統、進風單元、安全保護單元及操作控制柜組成[2]。燃燒器的控制單元、燃油管道、通風管道和相應儀表組成，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穩定著火與燃燒的熱能裝置[3]。一般應用在中小型燃油鍋爐上。燃燒器構造由以下5個系統組成：

（1）送風系統：送風系統的功能在于向燃燒室里送入一定風速和風量的空氣，其主要部件有：殼體、風機馬達、風機葉輪、風門控制器、風門檔板、凸輪調節機構、擴散盤。

（2）點火系統：功能是負責在送風的條件下，將燃料點燃，主要部件有：點火變壓器、點火電極、電火高壓電纜。

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

（4）燃料系統：燃料系統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主要有：油管及接頭、油泵、電磁閥、噴嘴、重油預熱器。

（5）電控系統：電控系統是以上各系統的指揮中心和聯絡中心，主要核心功能由PLC完成。

2 基于PLC的鍋爐點火環節控制

2.1 輸入/輸出口分配

根據船用燃油鍋爐的硬件系統的要求，選用西門子S7-200 PLC可以滿足鍋爐整個燃燒環節的控制需求。關于PLC的輸入輸出點分配，如表1所示。

輸入參數有啟動按鈕、停止按鈕、水位、蒸汽壓力、燃油壓力、燃油泄漏、火焰檢測開關。輸出參數有風機、風門、燃油調節器、點火器、熄火停爐、報警指示。

2.2 點火環節的控制系統設計

燃燒控制系統的基本任務可歸納為以下三個方面：維持蒸汽出口壓力穩定，保證燃燒過程的經濟性和保證燃油鍋爐的安全運行。鍋爐燃燒環節的控制，在安全保護系統重點還是在鍋爐的點火環節。在點火之前，有幾個條件必須滿足：鍋爐水位在正常水位；蒸汽壓力低于停爐壓力。其它一些準備操作有：接通電源并將開關扳至“自動”位置；將風機、燃油泵打到“自動”位置。同時，應充分考慮燃燒嘴背壓過高而脫火，不但會污染環境更嚴重的是燃燒室內積存大量燃料與空氣的混合物，會有爆炸危險；燃燒嘴背壓過低又可能回火，會危及管道發生燃燒和爆炸。鍋爐自動點火過程如圖2所示。

在進行自動點火過程中，首先檢查鍋爐的安全方面因素是水位，鍋爐要產生蒸汽，需要有穩定的供水系統，如果處于危險水位，那么鍋爐就不具備正常工作的條件，所以應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，如果存在燃氣泄漏情況，那么不僅浪費燃料，而且存在安全隱患等。

確認可以進行點火時，先進行預掃風45秒，目的是將鍋爐燃燒室內的多余燃油氣體吹掃干凈，防止出現鍋爐“冷爆”現象，造成人員傷亡。然后開始點火，點火使用高壓點火電極進行15秒，其次關點火變壓器，最后檢查點火情況，這里不需要人去檢查，而是采用火焰檢測元件進行檢查。如果點火成功，則轉入正常燃燒；如果失敗，重復進行點火步驟。此時輪機管理人員，應查明原因[4]。

2.3 鍋爐水位檢測控制的改進

傳統船用輔鍋爐一般采用電極式雙水位控制系統，目前嵌入式控制芯片的成本很低，采用單片機水位控制可以極大的簡化系統結構，同時實現基本的運算和通信功能，電源電壓也可限制在5V之下。本文在參照傳統燃油鍋爐水位控制系統的功能和要求的基礎上，設計了基于AT89C52單片機為控制核心，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雜，難點在于限流電阻R和水位測量電阻的阻值選取，務必要使電阻的阻值遠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，相當于短路，阻值可以忽略不計。這樣隨著水位的上升，模數轉換所獲得的電壓U、電阻傳感器長度L、鍋爐水位H的關系為：

其中K為正比例常數，該常數的值與實際水體的電阻系數、鍋爐體積、限流電阻與電阻傳感器的取值有關。從式中可以看出，檢測電壓與鍋爐水位成線性關系。采集的電壓信號，經過模數轉換后輸入單片機，經過簡單運算后，通過串口線接入西門子S7-200。整個電路體積小、成本低、結構簡單。

3 仿真調試

在經過2.2節點火過程設計分析后，我們對燃氣鍋爐自動點火過程有了理論上的了解，但缺乏直觀上的表現。本論文先通過編寫STEP-7編好程序梯形圖，然后導入S7-200SIM軟件進行仿真調試。S7-200SIM是專用于用來替代PLC硬件調試的仿真軟件。由于整個點火過程持續一分多鐘，本文在此選取了最具代表性的兩張圖來說明。點火過程中的輸入設置如圖4所示。在圖4中，I0.6是輸入端連接的是火焰檢測開關，由于在仿真過程中不存在真實的火焰，用鼠標點動來代表存在火焰，如圖4左上角所示，I0.6框內打了小勾，代表有持續的火焰光源。

鍋爐點火過程的輸出仿真結果如圖5所示。

在圖5的輸出結果的左上角可以看到風機Q0.0、風門Q0.1、燃油控制閥Q0.2、燃油調節閥Q0.3、正常燃燒指示Q0.5接通運行，此時點火成功。點火成功后，點火器自動停止點火，所以點火器Q0.4的燈是熄滅的，不運行。從仿真的驗證結果看，改進后的系統初步可行。

4 結束語

PLC和單片機的廣泛應用不但極大的簡化了系統，而且使控制精度和故障監測更為靈敏，相對于舊式的繼電器檢測控制系統有很大的優勢。但也有不足之處，例如傳統采用繼電器控制的鍋爐燃燒和水位控制，一般的維護人員都可以勝任其管理工作。但采用PLC和單片機控制后，對維護人員的電子電氣知識將有較高要求。不足之處有待進一步實踐檢驗。

參考文獻：

[1]萬曼影.輪機自動化[M].上海：上海交通大學出版社，2007.

[2]陳杰，陳甜.燃油鍋爐改LNG鍋爐PLC系統的設計與應用[J]. 機械工程師，2011（10）：79-81.

[3]鄭鳳閣.輪機自動化[M].大連：大連海事大學出版社，2002.

[4]吳旭明，戴峰，葉勝利.燃油、燃氣鍋爐爆燃事故的有效防治分析[J].科技與創新，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訓和教研工作。endprint