基于PLC的貨油運輸船舶尾氣處理控制系統設計

王 穩，張建偉，沈 涵，張 雅

(1.浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山 316022；2.浙江海洋大學 水產學院，浙江 舟山 316022)

船用柴油機的尾氣排放溫度約為400 ℃，具有較高的余熱利用價值，但在熱能回收過程中，也存在著尾氣中的SOx、NOx對余熱回收設備造成的低溫腐蝕問題。

國際海事組織(IMO)于2020年1月1日強制實施的限硫令規定，全球海上運輸船用燃油中，含硫質量百分數需低于0.5%，此規定大幅提高了航運企業的營運成本，且低硫燃油難與現有船舶機械匹配，但IMO限硫令同時規定安裝了廢氣洗滌器的船舶仍可使用原有燃油，因此，全球各大型的航運企業選擇加裝尾氣洗滌脫硫裝置的居多[1]。

1 貨油運輸船舶尾氣處理系統

現有的貨油運輸船舶尾氣處理系統示意圖如圖1所示，主要包括尾氣的余熱回收和脫硫處理2部分，余熱回收單元主要包括廢氣渦輪、過濾器、蒸發器、膨脹機、發電機、洗滌劑容器和冷凝器，脫硫處理單元主要包括洗滌劑反應器、尾氣處理器和廢料回收器。尾氣余熱回收單元基于有機朗肯循環，回收尾氣的熱能，直至尾氣溫度降至150 ℃為止；尾氣脫硫處理單元基于濕法脫硫、催化氧化法脫硫，將尾氣中含有的硫化物以及硝化物反應為硫酸、硝酸等物質[1-2]。

工業自動化生產中，PLC控制系統有著高效的邏輯性、順序性控制能力，能夠很好的實現設備的復雜流程工作。為確保尾氣處理系統的穩定性與實用性，本文所提出的尾氣處理控制系統采用PLC技術進行控制[3]。

2 控制系統設計

2.1 尾氣處理控制系統設計

尾氣在系統內流動的過程中，可完成熱能回收以及脫硫處理，因此，尾氣處理系統的PLC控制較為簡單。系統內所用到的閥門，除旁通閥以及安全閥外，其它電磁閥處于打開狀態。其中，旁通閥位于余熱回收單元與尾氣脫硫單元之間，當尾氣溫度降至150 ℃，即尾氣將要對設備造成低溫腐蝕時，旁通閥打開，尾氣進入脫硫單元內進行脫硫處理。完成脫硫處理后的尾氣進入貨油蒸汽加熱盤管內進一步利用尾氣余熱，最終尾氣排出船體。

圖1 貨油運輸船舶尾氣處理系統示意圖

PLC系統所能實現的功能有4種，分別是開關控制、順序控制、過程控制和運動控制[4]。本文所設計的系統中，開關控制功能用于實現系統內各電磁閥和輸送泵的自動啟閉，使尾氣在系統內能夠在流動的過程中實現熱能回收以及脫硫處理；順序控制功能主要用于控制旁通閥的啟閉，當尾氣溫度低于150 ℃時，旁通閥打開，實現余熱回收、脫硫處理兩部分的分割，旁通閥同時具備延時關閉功能，以降低閥門啟閉頻率；過程控制功能主要用于系統中尾氣流量的控制，防止尾氣流量過低時余熱回收和脫硫處理效率低以及尾氣流量過高時余熱回收不完全和脫硫處理效果差的問題；運動控制功能主要用于系統中運動部件的控制，本文所設計系統中的運動部件主要為尾氣處理器的轉軸，轉軸轉動，帶動尾氣處理器內的圓片轉動，從而實現尾氣的進一步脫硫。

尾氣處理控制系統采取模塊化設計[5]，主要包括余熱回收模塊、脫硫處理模塊、報警模塊和數據分析模塊等，其系統框架圖見圖2。其中，余熱回收模塊與脫硫處理模塊之間存在旁通閥連接，報警模塊的主要功能是，當尾氣處理系統內存在尾氣泄漏、壓力過高等問題時，系統自動報警。

圖2 系統框架圖

2.2 旁通閥啟閉設計

本文所設計的控制系統中，旁通閥的啟閉是特別重要的。旁通閥的啟閉由PLC系統控制，在工作時，溫度傳感器實時將采集到的尾氣溫度信息輸入PLC系統，當檢測到尾氣溫度低于150 ℃時，旁通閥延時開啟，并在一定時間后延時關閉，以實現旁通閥的自動啟閉功能，旁通閥啟閉流程圖如圖3所示。

圖3 旁通閥啟閉流程圖

2.3 硬件設計和選型

基于上述控制系統的整體設計原理，本系統選用西門子S7-1200PLC。此款PLC具有結構緊湊和模塊化的特點，同時具備單一或復雜的邏輯順序控制以及網絡通信等功能[6]。此款PLC包括5個模塊，其中每個模塊都能夠擴展，CPU最多可與8個信號模塊連接，以滿足系統設計過程中的各種需要，同時可提供集成工作內存50KB、集成加載內存2MB、集成記憶內存2KB。此外，以太網控制器(PROFINET)接口所能達到的數據傳送速度為10/100 Mbps，并具備以太網連接16個。

人機交互界面的使用可有效提高工業生產的自動化程度，觸摸屏作為一種人機交互界面，因其具有操作方便、自動化程度高等特點，現廣泛應用于各自動化機械中，與PLC共同構建自動化系統。本文所設計PLC控制系統中的人機交互界面采用觸摸屏技術，此款觸摸屏采用與工作環境完全隔離的設計，具有一定密閉性，適用于復雜工況。

3 結束語

本文在原有尾氣處理系統的基礎上，分別從PLC控制系統設計、系統功能和旁通閥啟閉設計進行探究，提出了基于PLC的貨油運輸船舶尾氣處理控制系統設計。根據所設計的PLC控制功能及原理，并結合尾氣處理系統的結構組成，系統的工作流程為：尾氣經廢氣渦輪、過濾器初步除去粉塵和油污等雜質，又經蒸發器、膨脹機、冷凝器，基于有機朗肯循環原理實現熱能到電能的轉換；當尾氣溫度降至150 ℃時，尾氣經旁通閥進入洗滌劑反應器，基于濕法脫硫實現一次脫硫，再經混合氣體緩沖瓶進入尾氣處理器，基于催化氧化原理實現二次脫硫，最后尾氣經排氣管、廢料回收器和貨油加熱盤管排出船體。