基于在线监测的某船用锅炉控制系统故障诊断

张晓东，薛红军，黄国安

●（1．海军工程大学，武汉 430033；2．海军驻上海704研究所军事代表室，上海 200031；3．上海磊华船舶工程有限公司，上海 200035）

基于在线监测的某船用锅炉控制系统故障诊断

张晓东1，薛红军2，黄国安3

●（1．海军工程大学，武汉 430033；2．海军驻上海704研究所军事代表室，上海 200031；3．上海磊华船舶工程有限公司，上海 200035）

针对某船用锅炉控制系统运行中间的非正常熄火及工作压力剧烈波动的故障，通过控制系统运行参数在线监测和模拟信号试验，得出故障是由控制系统软件与硬件参数设置的不匹配造成的。这为今后该控制系统软件与硬件参数的匹配调整和锅炉的优化燃烧提供了途径。

船用锅炉；控制系统；故障诊断；在线监测

0 引言

某船用锅炉控制系统由蒸汽压力调节回路、空气流量调节回路、锅炉水位调节回路、燃油温度调节回路、燃油压力调节回路和燃油压差调节回路等六个回路组成，全部调节回路由两台VME总线结构互为热备份的控制计算机及各个调节回路的传感器、“奥玛”电动控制阀执行机构、液压电磁阀执行机构等组成。该系统在装船运行初期就出现某些工况下锅炉不明原因的熄火和工作参数不稳定现象。数年后，该故障现象益加频发，高参数工况下多次出现锅炉压力大幅波动导致安全阀起跳的现象，这严重影响了设备的正常工作。

为解决这一问题，需要从锅炉控制系统的硬件和软件结构两个方面进行故障原因排查。由于系统本身不具备自我诊断能力，锅炉运行期间故障突发状态下难以获取故障信息，于是使用对运行数据进行在线监测和记录的方法，通过一套自制监测、记录装置，对控制系统的运行参数进行在线监测记录，同时在系泊状态下利用该装置对控制系统施加正常的模拟信号，观察系统参数的变化情况。将在线监测和模拟测试相结合，在航行状态下对锅炉的部分运行参数进行调整。实践证明，该方法有助于捕捉瞬时变化的故障信息，对于排查该船锅炉控制系统运行不稳定故障行之有效。

1 运行期间控制系统在线监测的实施方法

通过对控制系统的深入分析发现，影响锅炉工作稳定性的主要控制环节在于锅炉的燃烧控制回路（蒸汽压力控制回路及燃油控制回路）和增压风机的空气流量控制回路，其中牵涉到的工作机械和控制部件比较多，查找故障则需要对各个工作机械运行过程中的控制信号、执行机构动作、传感器反馈信号等进行全面的在线监测和记录分析，以便能够获取运行中的故障信息。

系统运行监测记录装置功能框图如图1所示。为保证测试记录过程与锅炉控制系统在电气上互不影响和完全隔离，监测记录装置由信号转接单元、信号隔离单元、监测控制单元和上位计算机构成。通过高精度电气隔离模块和接插件，将监测装置与锅炉控制系统的输入输出信号板卡相连接，其中采集通道与输入板卡MBA32连接方式如图2所示，采集通道与其它板卡的连接方式和图2基本相同。

图1 监测记录装置功能框图

图2 信号采集的电气原理示意图

针对控制系统中除水位和燃油温度调节以外的四个回路，锅炉运行期间监测记录装置的采集信号见表1。测试装置中信号的采集和处理模块以通讯方式上传至由便携式工控机构成的上位计算机，进行信号的处理和在线记录。

表1 锅炉控制系统在线监测信号表

2 系泊状态下控制系统的模拟信号试验

监测装置除了具备数据采集、记录功能外，还具备模拟实验功能，采集记录功能和模拟试验功能由软件实现并能进行功能切换。为了更为全面地捕捉控制系统工作不稳定的故障信息，在动力装置系泊状态下开启控制系统，通过监测记录装置的信号模拟功能向系统适当施加模拟试验信号，监测并记录控制系统的执行机构是否正常动作、动作量值与输入信号的对应关系以及运行中各个执行机构部件是否存在卡滞或失效，由此判定可能存在的故障或失效器件。系泊状态下的模拟信号试验的信号列表见表2。利用监测记录装置针对控制系统的模拟试验功能，在锅炉冷态和热态无负荷情况下进行了一系列系统测试和试验。

表2 系泊状态下的模拟信号试验的信号列表

2.1 蒸汽压力调节器控制回路的模拟信号试验

锅炉冷态情况下向控制系统施加模拟信号，分别在低参数和高参数工况下测试记录控制系统执行机构的动作值，测试、记录蒸汽压力调节回路的控制特性和非线性区间。

锅炉热态无负荷情况下向控制系统施加小幅值模拟信号，在低参数工况下测试记录控制系统执行机构的动作值，测试、记录蒸汽压力调节回路的控制特性和非线性区间。

此项测试得到的数据对于定量区分“奥玛”电动执行机构的故障卡滞和正常工作的非线性区间有较大意义。

2.2 空气流量调节器控制回路的模拟信号试验

锅炉冷态情况下向控制系统施加模拟信号，测试记录空气流量控制系统的执行机构的动作值，测试、记录空气流量调节回路的控制特性和非线性区间。

改变主蒸汽调节回路控制数值，测试、记录相应锅炉负荷下空气流量调节回路的控制特性。

改变空气流量压差传感器反馈量数值，测试、记录空气流量调节回路的控制特性。

锅炉热态无负荷情况下，小幅值改变控制系统中空气流量压差传感器的反馈通道变送系数，测试、记录控制系统执行机构的动作值以及增压风机转速的动态和稳态特性。此项测试观察到空气流量压差变送器的反馈通道变送系数对于增压风机转速动态和稳态特性的重大影响。初步认为，与空气流量调节器相关的控制软件只有与硬件参数有着较好的匹配，才能使增压风机在相应锅炉负荷下平稳运转。如果硬件参数产生较大漂移和偏差，就会导致增压风机转速动态特性剧烈变化。

通过系泊状态下的模拟信号试验，发现并排除了空气流量调节回路的部分硬件故障，在此基础上制定了某船海上航行试验排故方案。

3 航行试验中锅炉控制系统监测和参数调整

在航行状态下，将专用监测记录装置与锅炉控制系统相连，记录各种工况下锅炉相关的控制信号、传感器信号和执行机构的动作信号，根据记录的信号数据对锅炉的运行状态（主要针对锅炉燃油和空气流量的匹配）进行分析，并调整参数。实验锅炉非正常熄火及工作压力波动的现象主要发生于锅炉负载大幅度波动的工况（航行中汽轮机突然加速、换向倒车等），该故障与空气流量压差变送器传输系数的取值密切相关。

航行试验中对锅炉空气流量压差变送器的传输系数进行了调整，效果明显：锅炉运行过程中增压风机稳态转速与前比较下降约600转，波动情况有所缓解；锅炉燃油和空气流量配比得到改善；在低、高参数工况下锅炉运行状况较平稳；锅炉非正常熄火现象大幅减少；锅炉压力波动渐趋平稳。

4 结论

1）通过锅炉控制系统运行参数在线监测和模拟信号试验，查明锅炉非正常熄火及工作压力剧烈波动主要是由控制系统软件与硬件参数设置不匹配造成的。

2）在航行试验中，通过调整部分硬件参数使得控制系统的蒸汽压力控制回路和空气流量控制回路在高、低参数工况下均能保持平稳运行。

3）在故障排查和试验过程中记录了锅炉工作的过程参数，为今后对锅炉控制系统软件与硬件控制参数的匹配调整积累了数据。

[1]费千. 船舶辅机[M]. 大连: 大连海事大学出版社, 2000.

[2]赵钦新, 惠世恩. 燃油燃气锅炉[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2000.

Failure Diagnostics of Ship Boiler Control System Based on Online Surveillance

ZHANG Xiao-dong1, XUE Hong-jun2, HUANG Guo-an3
(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. The Naval Representative Office Stationed at No.704 Institute of CSIC, Shanghai 200031, China; 3. LEI-HUA Ship Engineering Limited Corporation, Shanghai 200035, China)

There are such failures as abnormal flameout and working pressure quick fluctuate in the operation of ship boiler. Through online surveillance of the control system operating parameters and analog signal experiments, it is found out that the reason of the failures is mismatching of control system software and the setout of hardware parameters. This paper provides technical approaches for adjustment of control system software and hardware parameters as well as combustion optimization.

ship boiler; control system; failure diagnostics; online surveillance

TK175

A

张晓东（1969-），硕士，副教授。研究方向：蒸汽动力装置。