雷超华1郭丙君2
（1.格菱动力设备〈中国〉有限公司，中国 上海 200040；2.华东理工大学信息学院，中国 上海 200237）
【摘要】蒸汽锅炉系统的安全、稳定运行对于油轮系统的正常运行起到了至关重要的作用。本文所介绍的采用PLC和触摸屏技术的蒸汽锅炉系统，就是运用于这些大型油轮，为其提供高品质、稳定的蒸汽和惰性气体。该系统实际运用中操作方便、运行稳定，取得了很好的效果。
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关键词 蒸汽锅炉；介质雾化；控制系统；PLC；触摸屏
The Design of Boiler Control System for Medium Atomizing Burner
LEI Chao-hua1GUO Bing-jun2
(1.Greens Power Equipment 〈China〉 Co., Ltd., Shanghai 200040, China;
2.Information School of East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)
【Abstract】Safe and stable operation of the steam boiler system play a crucial role for normal operation of the tanker systems. Steam boiler system described in this article using PLC and touch screen technology is used in these large oil tankers, provide high-quality, stable vapor and inert gases. In application of the system, easy operation, stable, and achieved good results.
【Key words】Steam boiler; Medium atomization; Control system; PLC; Touch screen
0引言
随着现代造船技术的逐步提高，超大型油轮的最大载重吨位也在不断刷新。这也对配合大型油轮的油舱加热系统、货油泵系统及油舱惰气系统的技术和性能要求越来越高。而这些重要系统的功能都是由蒸汽锅炉所提供，因此，蒸汽锅炉系统的安全、稳定运行对于油轮系统的高效运行的作用将是至关重要。本文所介绍的锅炉控制系统就是运用于这些大型油轮，为其提供高品质、稳定的蒸汽和惰性气体。
1系统控制目的
系统设计的主要目的是为了产生稳定的蒸汽和惰性气体。蒸汽用于加热油舱原油，用来降低原油的粘度，提高油品的可流动性。另外，高压蒸汽还用来推动货油泵，为油品的驳运提供动力；惰性气体则是用来供给油舱，用于填充因油舱原油被驳走后所产生的空间。
2系统控制原理
系统采用的是介质雾化类型的燃烧器，通过压缩空气或高压蒸汽来雾化燃油。并采用PLC控制原理，结合触摸屏的显示和操作方式，控制两台蒸发量为30T/h，蒸汽压力为14bar的燃油锅炉来实现设计要求。该系统结构简单，维护方便；燃烧负荷调节范围宽，使用便捷；油品雾化效果好，燃烧充分，对环境的污染少,可以说完全符合现代工业化发展的技术要求。
锅炉控制系统包括燃烧器控制、锅炉水位控制、蒸汽压力控制、报警系统。
燃烧器控制系统：它是该系统中最重要的组成部分。主要包括涉及到燃烧器安全运行的安全联锁系统，该系统控制回路采用的是PLC软件控制和继电器逻辑回路组成的冗余回路，通过双重保护，有效的提高了系统的安全可靠性；燃烧器的启动\停止控制是采用继电器和程序两种控制方法，可以手动控制，也可以由PLC自动控制，两种方式的采用提高了系统的可操作性；燃烧器负荷控制则是通过锅炉的蒸汽压力来调节进燃烧器燃油压力大小，从而控制燃烧火焰大小来实现的；燃烧器风油比控制中风油的配比是匹配不同燃油压力下的送风风量，以保证燃油燃烧充分，使燃烧烟气的含氧量达到惰性气体的要求。而风量的调节则是通过风道上的风门调节挡板实现的。
锅炉水位控制：通过调节给水管路上的调节阀门来实现的。
蒸汽压力控制：在正常模式时，是通过控制燃烧器来实现；在惰气模式时，根据惰气的需求量来控制燃烧。在此控制过程中，若产生的蒸汽量太高，则系统会自动打开过量蒸汽阀，排放掉过量蒸汽。
报警系统：用来提供给用户相应的设备故障信息，便于设备维护；而且还能确保系统的安全，稳定运行。
3控制箱设计
为保障供给蒸汽的稳定同时便于停机维护，锅炉系统在一般运行时，采用的是一用一备的方式，因此采用了三个控制箱。其中，两个锅炉控制箱，分别控制两台锅炉；一个公共控制箱用于两台锅炉的公共控制部分，如水泵、油泵、水质监测等。控制箱采用PLC和触摸屏的方式，整个系统结构简洁，配置安全可靠，运行稳定，操作、维护方便。
如图2所示，锅炉控制箱主要设计了燃烧器回路和PLC回路。
燃烧器回路：该燃烧器回路主要设计了安全联锁回路，用于特殊故障情况下锁定和停止燃烧器，保障燃烧器只有在安全的情况下才能运行；火焰监测回路，设计有两路独立的火焰监测探头，只有它们同时检测到火焰时，主燃油阀才能开启，即保证在有火焰的情况下才可开主燃油阀，确保燃烧安全；燃烧器启/停回路，用于控制燃烧器的顺序启动和停止。
PLC回路：通过相关的数字量，模拟量信号的输入、输出，监测燃烧器的运行状态，同时结合触摸屏技术，便于用户的操作使用。其中，数字量输出：经过PLC的逻辑运算，输出控制燃烧器的燃烧和输出报警。模拟量输入:锅炉水位模拟量，主要用来监测锅炉水位，并用于控制给水调节阀；锅炉蒸汽压力模拟量，用来控制燃烧器的燃烧，来调节锅炉的蒸汽压力；燃油压力模拟量，用来校正燃油压力，控制调节油阀，并监测燃烧负荷；送风流量模拟量，用来校正送风风量，控制调节风量挡板，并监测燃烧送风量；烟气含氧量，用来读取燃烧后的烟气含氧量，监测惰气品质。
公共控制箱的设计主要用于控制油泵、水泵、油温，监测给水的盐度和油分，等等。泵油泵和水泵的合理控制确保了供给两台锅炉的油压和水压的稳定，便于油压，水量调节阀的调节。油温的控制，确保了供给燃烧器油品的粘度正常便于燃油的充分雾化，以达到理想的燃烧效果，从而节约能源并减少对环境的污染。
4电气控制系统的软件设计
4.1燃烧器的启停设计
如图3所示，燃烧器启动燃烧的主要流程为：风机启动——全开风门——吹扫——关小风门——点火——开点火油阀、气阀——开主油阀——正常燃烧。在燃烧器点火前必须要保证炉膛的充分吹扫，避免因炉膛残留的油气在点火时产生闪爆，并且如果在燃烧器启动燃烧过程中产生了要求停止燃烧器燃烧的停炉报警，则该顺序启动程序会立即被复位，从而停止程序执行。保障了燃烧器的安全工作。
如图4燃烧器停止燃烧的主要流程为：关闭主油阀——吹扫——关小风门——点火——开吹扫阀——全开风门——吹扫——关风门——停风机——停止。在停炉时，需要吹扫掉油枪里剩余的燃油，避免燃烧器停止后，油枪里的燃油慢慢挥发进炉膛产生闪爆的危险。故，在燃烧器停止后，需要再次点火将油枪的油烧尽，然后将炉膛未完全燃烧的油气吹扫掉。
上述燃烧器启动、停止流程必须按照步骤顺序执行，这些步骤直接影响锅炉的正常及安全的使用。而STL编程方法的采用，正是为了保证上述功能完全按照功能要求顺序执行。
4.2蒸汽压力控制
锅炉蒸汽压力控制的原理主要是控制燃烧器的负荷。采用PID的控制方式，根据燃烧器的风油比曲线匹配燃油压力及送风风量，通过控制燃油阀的开度和风道上的风门挡板来实现此功能。其主要的控制框图5所示。
其主要功能如下：
蒸汽压力PID:PID程序根据设定的蒸汽压力和采样的反馈蒸汽压力来实现PID的控制；
负荷限制：燃烧器在自动模式下，在锅炉处于冷态时启动燃烧器，此时锅炉压力比较低，若是自动不加限制，此时燃烧器会自动调节到最大火燃烧，这样对冷态的锅炉损害比较大，因此需要增加限制环节，在锅炉冷态启动时，限制燃烧器的最大燃烧负荷。当锅炉压力升高后，再取消燃烧器的负荷限制；
风油配比曲线：根据燃烧器厂家提供的风油配比特性图，设计曲线模型，编写相应的曲线函数程序。
根据上述曲线，设计等效的函数表达式如下：
燃烧器调试过程中，在保证燃烧器燃烧后的排烟含氧量接近上述曲线的要求下，测量各燃烧负荷下的风量燃油比率，从而生成上述的曲线图，然后确定该燃烧曲线公式。
该项目中的实际测量后确定的值为(X1=30,Y1=1.1),(X2=60,Y2=1)
通过该曲线的程序计算出的送风风量能确保燃烧后的烟气含氧量低于5%，从而保障了惰气的品质。
油品系数：因为燃烧器在燃烧柴油、重油、原油，或是其他不同批次的油品时，会造成排烟含氧量的变化，所以该参数的设计，用于设置不同油品的风量燃油比率，从而确保燃烧各种油品都能达到惰气的要求。
油阀控制PID:根据反馈油压来矫正油阀的输出；
风门挡板PID:根据反馈的风量来矫正风门挡板的输出；
4.3锅炉水位控制
锅炉水位控制原理主要是控制锅炉的给水调节阀。采用PID的方式，并考虑锅炉输出蒸汽量的突变来实现，其主要的控制框图如图7所示。
水位控制PID：根据反馈水位来矫正给水流量控制阀的开度
蒸汽流量：由于设备的蒸汽使用量比较大，突开/关阀门会使蒸汽流量突变，从而造成水位的突变，该程序设计考虑到这些影响，通过监测蒸汽管路上蒸汽流量的变化来补偿水位的剧烈变化，从而最大限度的消除了这种突变所造成的不良影响。
4.4触摸屏设计
为便于监测系统中各设备的工作状态，本系统设计了显示直观的触摸屏，用来显示设备运行状态和报警以及参数设置和其他相关的操作功能。其主要的界面如图8、图9所示。
主界面显示了整个系统的重要设备状态，包括锅炉压力、锅炉水位、燃烧器燃烧的油压、送风风量、给水调节阀开度、含氧量、各报警状态等等；该界面能很直观的监测整个燃烧系统，便于用户的使用。为避免使用过程中的误操作，本界面仅提供显示功能。
燃烧器在启动过程中，需要合适的风量、风压、油压，以及合适的点火时间，并且需要在合适的时间打开主油阀，这些因素都影响到燃烧器的启动，因此在燃烧器启动时是最容易出现故障。所以设计了燃烧器自动启动/停止的流程画面，通过该界面可以监测燃烧器启动流程，当燃烧器启动/停止过程中出现故障，可以通过该画面清楚的显示出故障所在步骤，便于故障的排除。
如图10、图11所示，通过相关的参数设置，可以很便利的控制锅炉的运行，如：水位的设置，锅炉蒸汽压力的设置，燃烧器的启动/停止的压力，等等。同时，在配置参数页面，可以对一些重要参数的设置进行修改。因为这些参数直接影响到燃烧器的燃烧效果，所以该页面也设置了更高的操作权限。
5系统运行状况与性能
本系统的各项功能满足了船级社的相关规范要求，充分的保障了系统的安全运行。同时，该系统各项功能满足了设计要求，符合大型油轮的使用要求。
如图12所示，在实际的正常运行过程中，锅炉的蒸汽压力能够保持在14bar左右，并且该过程中能够连续提供含氧量低于5%的惰气；该系统在船舶的驳油过程中能够连续稳定高负荷的运行，保障了驳油过程的连续性。为油轮的生产提供了有力的保障。
6结束语
本文介绍的基于PLC及触摸屏技术组成的蒸汽锅炉控制系统，整个系统考虑周全，功能全面，设计完善，为油轮的安全、稳定运行提供了充分的保障。另外，控制系统界面直观，操作方便，易于维护，在实际运行中也取得了很好的效果，为大型锅炉的控制系统提供了很好的借鉴作用。
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［责任编辑：汤静］