船用廢氣鍋爐自動吹灰裝置設計

楊加力，馬賽男

(1.浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316021；2.浙江嘉藍海洋電子有限公司，浙江 舟山 316021)

0 引 言

船用廢氣鍋爐依靠船用主柴油機和發電機產生的廢氣余熱對水加熱產生蒸汽，供船舶使用。廢氣鍋爐運行過程中，其受熱面會產生灰炭和結焦，這將影響鍋爐的正常受熱，浪費大量的化學能資源，積灰達到一定程度還有可能引發煙管粉塵爆炸等事故[2]。因此，在船舶實際運營過程中，船上的工作人員需定期對鍋爐進行吹灰操作，以減少鍋爐內部的積灰和結炭，保證鍋爐安全運行。船用廢氣鍋爐吹灰主要是指通過固定在鍋爐內部的噴嘴將高溫高壓的蒸汽或壓縮空氣噴到爐內受熱面等部位，通過蒸汽或壓縮空氣的吹洗，將結焦和灰炭等吹掉，保證廢氣鍋爐高效運行。廢氣鍋爐吹灰的條件為：

1)蒸汽和壓縮空氣作為吹灰介質，要具有足夠的壓力，保證吹洗效果良好。

2)吹灰要在主機轉速較大時進行，此時排煙管排氣壓力較高，保證吹下的爐灰能隨著廢氣直接排至煙管外；主機轉速較低時排氣壓力不足，可能導致灰塵下落堵在排煙管底部[3]。

1 系統設計的主要目的

目前船上廢氣鍋爐吹灰主要是通過人工手動操作完成的。在操作過程中，需手動打開和關閉蒸汽(或壓縮空氣)閥門，每次吹洗的耗時都較長，且吹灰效果不是很理想。安裝在鍋爐內部的吹灰噴嘴的位置是固定的，導致爐內經常受到吹洗介質的腐蝕，而部分位置又吹洗不到。為解決該問題，本文以STC89C52芯片為核心，通過檢測定時時間和主機轉速，通過啟閉電磁閥控制吹洗介質的通斷，通過步進電機控制噴管和噴嘴的伸縮，對廢氣鍋爐內部進行吹灰。

2 系統整體設計

2.1 控制系統設計

采用STC89C52芯片作為主控制單元，通過控制電磁閥的啟閉實現對吹洗介質通斷的控制；通過控制步進電機的正反轉實現爐內噴頭的往復移動，對鍋爐內的受熱面等位置吹洗；通過外部按鍵電路對吹洗進行定時；通過模式選擇旋鈕選擇手動自動模式，并啟閉電源[3]。定時時間、主機轉速、蒸汽(壓縮空氣)管路溫度和壓力等內容顯示在液晶屏上，當出現動作未執行等異常情況時，發出聲光報警。圖1為控制系統框圖。

圖1 控制系統框圖

2.2 系統機械結構設計

機械部分主要由噴頭、噴管、步進電機、傳動裝置、連接軟管和電磁閥等部件組成(見圖2)。蒸汽(或壓縮空氣)噴頭采用360°可噴出設計，安裝在可伸縮的噴管上，內部管道逐漸收縮，以增大介質的流速；噴管上設計有齒條，可與步進電機控制的齒輪嚙合，通過步進電機的正反轉實現噴管的伸縮，完成對整個內部空間的吹洗。噴管可安裝在鍋爐的任意位置處，只要保證噴頭能最大化地對鍋爐內部進行吹洗即可，且噴管不局限于1只。電磁閥主要用于控制吹洗介質，電磁閥打開，介質流入，從噴頭噴出，對鍋爐內部進行吹洗。噴管的行程由限位開關控制，可在單片機程序中設置吹洗時間，當吹洗完畢之后，噴管自動收回，噴頭收起，防止長時間在鍋爐內部受到高溫的腐蝕。整個裝置由基座固定在鍋爐上。

圖2 系統機械結構設計

3 硬件電路設計

3.1 主控制電路設計

STC89C52芯片具有應用范圍廣、成本低和控制精度高等特點，其40管腳能滿足控制步進電機、電磁閥、液晶顯示、按鍵和報警裝置等的總體要求，較好地實現所需的控制功能[4]。主控制系統電路圖見圖3。

圖3 主控制系統電路圖

3.2 液晶顯示電路設計

LCD(Liquid Crystal Display)液晶顯示屏具有亮度高和可視面積大等優點，安裝在亮度較低的機艙內，能較好地滿足設計要求[5]。LCD液晶顯示屏由上、下2行組成，其中：第一行用于顯示定時時間；第二行用于顯示主機的運行速度和蒸汽管的溫度。顯示主機的運行速度能方便管理人員手動操作時了解當前主機的轉速和負荷，保證在滿足手動吹灰條件的情況下進行吹灰操作，防止吹掉的灰塵落到煙管底部。顯示定時時間能方便管理人員通過按鍵對定時時間進行調節。LCD液晶顯示電路設計見圖4。自動吹洗時單片機根據檢測到的數據自動進行動作。

圖4 LCD液晶顯示電路設計

3.3 檢測和報警電路設計

電磁閥與軟管之間安裝有適于檢測高溫介質的DS18B20溫度傳感器，用于檢測蒸汽介質的流通，判斷吹洗過程中是否有蒸汽流過，保證吹洗正常進行。同時，在停止吹洗時對系統進行保護，若閥門泄漏，傳感器檢測到溫度信號，系統將發出警報，防止鍋爐內部壓力過低和蒸汽流失，并對爐膛內部進行保護，防止長時間對爐內進行吹洗。若采用壓縮空氣作為吹洗介質，可使用流速計作為檢測裝置。報警系統電路設計見圖5。主機轉速傳感器和溫度傳感器分別與單片機的P1.5和P1.6相連，用于檢測主機轉速和電磁閥后蒸汽管路溫度。DS18B20溫度傳感器具有可測溫度較高、使用方便等優點，可以滿足設計要求。溫度和速度檢測電路設計見圖6[6]。

圖5 報警系統電路設計

圖6 溫度和速度檢測電路設計

3.4 執行設備電路設計

控制系統控制的執行設備包含電磁閥和步進電機，其中電磁閥采用24 V直流電源供電，通過單片機引腳控制mos管實現對電磁閥的啟閉控制。電磁閥采用ZCZG耐高溫型電磁閥，保證工作的可靠性和耐用性[7]。電磁閥電路設計見圖7。本文所述設計對電機控制的精度要求不高，因此可采用標稱12 V混合式(HB型)，通過ULN2003芯片實現對電機的轉動控制。步進電機電路設計見圖8。

圖7 電磁閥電路設計

圖8 步進電機電路設計

3.5 按鍵和手/自動開關設計

按鍵既可用來對定時時間進行更改，又可屏蔽掉定時，立即開啟吹灰模式。控制系統可選擇手動控制和自動控制2種模式，設計的控制開關上有關閉、啟動、手動控制和自動控制等4個位置，其中：關閉位置為系統斷電停止運行；啟動位置為系統通電，準備按程序運行；手動位置為手動吹洗開啟，此位置設計有5 s延時；自動位置為按程序定時吹洗[8]。按鈕設計有3個，主要實現定時時間設定和吹洗初始主機轉速值設定，按鍵電路圖設計見圖9。

圖9 按鍵電路圖設計

4 軟件設計方案

軟件程序設計是系統安全可靠運行的重要保障。系統通電之后開始進行程序自檢和初始化，當轉換開關轉到手動位置時，系統檢測到吹洗信號之后，將執行信號送給電磁閥和步進電機，當電磁閥打開之后，步進電機開始按程序運轉，使噴管以一定的速度深入鍋爐內部，噴嘴開始對爐內進行360°吹洗，若電磁閥和電機沒有動作，系統將發出聲光報警；當轉換開關轉到自動位置時，系統開始根據設定的時間計時，當計時時間到且主機轉速達到吹洗條件之后，開始進行吹洗。定時時間和主機轉速必須同時滿足條件，此時電磁閥和電機即使沒有動作也會發出報警，主程序框圖見圖10。

圖10 主程序框圖

5 結 語

本文所述船用廢氣鍋爐自動吹灰裝置通過單片機控制電磁閥和步進電機，實現鍋爐內部煙管和受熱面的自動吹洗，能減少輪機員的勞動強度，具有操作簡單、使用方便和吹洗效率高等特點，能避免固定噴嘴帶來的吹洗不完全和部分位置產生吹洗介質腐蝕的缺點，降低人員經常接觸高溫設備和被蒸汽燙傷的風險。同時，該裝置實現了單個噴嘴吹洗較大面積的功能，解決了目前需在鍋爐上安裝多個固定噴嘴的難題，增大了有效吹灰面積。該裝置的設計主要考慮了控制系統和部分機械結構部分的實現，但沒有對管路和閥件的尺寸、噴嘴的具體結構及安裝位置進行闡述，需在后續研究中加以補充完善。