船用燃油锅炉点火环节和水位控制的改进

鞠冀军+陈云

摘 要：数字控制技术取代传统继电器控制系统是船舶自动化发展的必然，船用燃油锅炉燃烧环节直接关系到整个供热系统的安全与稳定，本文对船用燃油锅炉燃烧环节管制系统进行论述，明确锅炉燃烧控制系统的控制对象、控制目标以及组成部分。并基于西门子S7-200PLC，重点考虑点火过程中安全故障的检测，设计了锅炉点火燃烧环节的软硬件控制系统，并在水位控制环节利用嵌入式系统取代原传统的电极式水位检测控制系统。

关键词：燃油锅炉；自动化；可编程控制器；嵌入式系统

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

0 引言

船用燃油燃油锅炉是船舶必不可少的供热供水辅助机械。现在货船燃油锅炉的控制技术正在逐渐数字化，具体是大规模采用PLC和嵌入式控制，以取代原有的接触器-继电器控制系統。锅炉起动后自动点火和燃烧步骤，是整个锅炉安全运行风险最高的环节。一般锅炉点火燃烧的操作流程依序为[1]：预扫风、预点火、喷油点火、点火成功、锅炉预热处理，紧接着锅炉步入燃烧的正常负荷控制时期，相对应的需要同时启动风机、水泵、燃油泵、蒸汽和火焰的安全监测，以保证整个锅炉的安全运行。在锅炉燃烧的主要环节中，点火环节是整个工作过程的重点，需要精细化分析，并设计相关控制程序。同时，旧有锅炉的水位控制采用电极式双位控制，从成本、精度以及可靠性的角度考虑，都亟需改进。

1 燃油锅炉燃烧器的结构组成

船用燃油锅炉燃烧环节主要由点火单元、燃气控制系统、进风单元、安全保护单元及操作控制柜组成[2]。燃烧器的控制单元、燃油管道、通风管道和相应仪表组成，如图1所示。

燃烧器是一种将燃料和空气，按所要求的浓度、速度、湍流度和混合方式送入炉膛，并使燃料能在炉膛内稳定着火与燃烧的热能装置[3]。一般应用在中小型燃油锅炉上。燃烧器构造由以下5个系统组成：

（1）送风系统：送风系统的功能在于向燃烧室里送入一定风速和风量的空气，其主要部件有：壳体、风机马达、风机叶轮、风门控制器、风门档板、凸轮调节机构、扩散盘。

（2）点火系统：功能是负责在送风的条件下，将燃料点燃，主要部件有：点火变压器、点火电极、电火高压电缆。

（3）检测系统：检测系统的功能在于保证燃烧器安全运行，其主要部件有火焰监测器、压力监测器、温度监测器等。

（4）燃料系统：燃料系统的功能在于保证燃烧器燃烧所需的燃料。燃油燃烧器的燃料系统主要有：油管及接头、油泵、电磁阀、喷嘴、重油预热器。

（5）电控系统：电控系统是以上各系统的指挥中心和联络中心，主要核心功能由PLC完成。

2 基于PLC的锅炉点火环节控制

2.1 输入/输出口分配

根据船用燃油锅炉的硬件系统的要求，选用西门子S7-200 PLC可以满足锅炉整个燃烧环节的控制需求。关于PLC的输入输出点分配，如表1所示。

输入参数有启动按钮、停止按钮、水位、蒸汽压力、燃油压力、燃油泄漏、火焰检测开关。输出参数有风机、风门、燃油调节器、点火器、熄火停炉、报警指示。

2.2 点火环节的控制系统设计

燃烧控制系统的基本任务可归纳为以下三个方面：维持蒸汽出口压力稳定，保证燃烧过程的经济性和保证燃油锅炉的安全运行。锅炉燃烧环节的控制，在安全保护系统重点还是在锅炉的点火环节。在点火之前，有几个条件必须满足：锅炉水位在正常水位；蒸汽压力低于停炉压力。其它一些准备操作有：接通电源并将开关扳至“自动”位置；将风机、燃油泵打到“自动”位置。同时，应充分考虑燃烧嘴背压过高而脱火，不但会污染环境更严重的是燃烧室内积存大量燃料与空气的混合物，会有爆炸危险；燃烧嘴背压过低又可能回火，会危及管道发生燃烧和爆炸。锅炉自动点火过程如图2所示。

在进行自动点火过程中，首先检查锅炉的安全方面因素是水位，锅炉要产生蒸汽，需要有稳定的供水系统，如果处于危险水位，那么锅炉就不具备正常工作的条件，所以应确保锅炉处于正常工作水位；第二是燃油压力，船用锅炉与普通燃油锅炉相似，都需有一定的压力才能保证能够正常支持燃烧；第三燃油是否泄漏，如果存在燃气泄漏情况，那么不仅浪费燃料，而且存在安全隐患等。

确认可以进行点火时，先进行预扫风45秒，目的是将锅炉燃烧室内的多余燃油气体吹扫干净，防止出现锅炉“冷爆”现象，造成人员伤亡。然后开始点火，点火使用高压点火电极进行15秒，其次关点火变压器，最后检查点火情况，这里不需要人去检查，而是采用火焰检测元件进行检查。如果点火成功，则转入正常燃烧；如果失败，重复进行点火步骤。此时轮机管理人员，应查明原因[4]。

2.3 锅炉水位检测控制的改进

传统船用辅锅炉一般采用电极式双水位控制系统，目前嵌入式控制芯片的成本很低，采用单片机水位控制可以极大的简化系统结构，同时实现基本的运算和通信功能，电源电压也可限制在5V之下。本文在参照传统燃油锅炉水位控制系统的功能和要求的基础上，设计了基于AT89C52单片机为控制核心，将原本用于液位采集的电极棒，用可变电阻传感器取代。改造后的系统检测控制部分示意图如图3所示。

在图3中，测量液位的电阻传感器原理并不复杂，难点在于限流电阻R和水位测量电阻的阻值选取，务必要使电阻的阻值远大于锅炉用水水体阻值。这样，水体接触到电阻传感器的部分，相当于短路，阻值可以忽略不计。这样随着水位的上升，模数转换所获得的电压U、电阻传感器长度L、锅炉水位H的关系为：

其中K为正比例常数，该常数的值与实际水体的电阻系数、锅炉体积、限流电阻与电阻传感器的取值有关。从式中可以看出，检测电压与锅炉水位成线性关系。采集的电压信号，经过模数转换后输入单片机，经过简单运算后，通过串口线接入西门子S7-200。整个电路体积小、成本低、结构简单。

3 仿真调试

在经过2.2节点火过程设计分析后，我们对燃气锅炉自动点火过程有了理论上的了解，但缺乏直观上的表现。本论文先通过编写STEP-7编好程序梯形图，然后导入S7-200SIM软件进行仿真调试。S7-200SIM是专用于用来替代PLC硬件调试的仿真软件。由于整个点火过程持续一分多钟，本文在此选取了最具代表性的两张图来说明。点火过程中的输入设置如图4所示。在图4中，I0.6是输入端连接的是火焰检测开关，由于在仿真过程中不存在真实的火焰，用鼠标点动来代表存在火焰，如图4左上角所示，I0.6框内打了小勾，代表有持续的火焰光源。

锅炉点火过程的输出仿真结果如图5所示。

在图5的输出结果的左上角可以看到风机Q0.0、风门Q0.1、燃油控制阀Q0.2、燃油调节阀Q0.3、正常燃烧指示Q0.5接通运行，此时点火成功。点火成功后，点火器自动停止点火，所以点火器Q0.4的灯是熄灭的，不运行。从仿真的验证结果看，改进后的系统初步可行。

4 结束语

PLC和单片机的广泛应用不但极大的简化了系统，而且使控制精度和故障监测更为灵敏，相对于旧式的继电器检测控制系统有很大的优势。但也有不足之处，例如传统采用继电器控制的锅炉燃烧和水位控制，一般的维护人员都可以胜任其管理工作。但采用PLC和单片机控制后，对维护人员的电子电气知识将有较高要求。不足之处有待进一步实践检验。

参考文献：

[1]万曼影.轮机自动化[M].上海：上海交通大学出版社，2007.

[2]陈杰，陈甜.燃油锅炉改LNG锅炉PLC系统的设计与应用[J]. 机械工程师，2011（10）：79-81.

[3]郑凤阁.轮机自动化[M].大连：大连海事大学出版社，2002.

[4]吴旭明，戴峰，叶胜利.燃油、燃气锅炉爆燃事故的有效防治分析[J].科技与创新，2011（02）：79-83

作者简介：鞠冀军（1968-），男，技师，主要从事电子电气方面的实训和教研工作。endprint