基于PLC的船用焚烧炉控制系统设计

陈新恩, 蔡建邦, 覃浩峰

(广州航海学院 海运学院， 广州 510725)

基于PLC的船用焚烧炉控制系统设计

陈新恩, 蔡建邦, 覃浩峰

(广州航海学院 海运学院， 广州 510725)

为有效保护海洋环境，对船用焚烧炉的控制系统进行研究。阐述船用焚烧炉系统的构成，说明船用焚烧炉控制系统的设计要求、硬件组成、PLC的 I/O分配情况以及一些工作数据设置，论述船用焚烧炉焚烧污油和焚烧固体垃圾的2种工作模式原理。试验证明：该系统自动化程度高，安保措施可靠，焚烧单位垃圾或污油所耗柴油量比普通系统低5%，焚烧污油含水率可高达60%以上，具有工作可靠、经济和环保等特性。

船舶工程； 海洋环境保护； 船用焚烧炉； 控制系统； PLC

随着全球经济不断发展，承担物流运输任务的船舶数量越来越多，船舶垃圾污染海洋环境问题日益严重。船用焚烧炉是MARPOL 73/78(The International Convention for the Prevention of Pollution From Ships, 1973 as Modified by the Protocol of 1978)公约规定的远洋船舶必备的防污染设备之一。[1-3]目前世界各国已研制出50多款船用焚烧炉，如英国哈姆公司生产的船用焚烧炉，丹麦阿特提斯公司生产的船用焚烧炉，日本日立造船厂生产的船用焚烧炉。国内有中船公司704研究所研制的船用焚烧炉、中船公司绿洲机器厂引进挪威戈拉公司技术生产的船用焚烧炉。这些焚烧炉大多具有辅助燃烧器、自动化程度高、能焚烧污油与固体垃圾等特点，但能焚烧的污油的含水率一般在50%左右。目前我国船用焚烧炉技术发展还不够成熟[4]，引进国外先进技术，设计新型船用焚烧炉具有现实意义。在广东省科研资金的助力下，设计出一种新型船用焚烧炉及其控制系统，实现了污油柜110℃高温加热、 燃烧室内900～1 000℃高温燃烧，大大加快了污油中水分的汽化，焚烧污油的含水率可高达60%以上。

1 设计要求

控制系统必须能够实现完善的程序控制、燃烧控制、安全保护等功能。[5]

1.1程序控制

船用焚烧炉控制系统能够按照设计的程序对船用焚烧炉前扫气、喷油、点火、燃烧、熄火、后扫气等动作进行自动控制。

1.2燃烧控制

船用焚烧炉控制系统能够对船用焚烧炉喷油量、风门开度大小、炉膛温度等进行自动控制，保证在消耗最少柴油的基础上，焚烧最大量的固体垃圾或污油。

1.3安全保护

低压或失电、排烟温度高于350℃、燃烧室温度高于1 200℃、炉膛压力升到大气压之前、 点火失败或中途熄火、燃油压力低等情况出现时，要求船用焚烧炉自动停炉，停止燃料供给，并发出声光报警。

2 船用焚烧炉系统构成

船用焚烧炉系统主要由柴油系统、污油系统、压缩空气系统、焚烧炉本体和电气控制柜组成。[6]其中：污油系统的主要功能是污油的贮存、加热和泵送；柴油系统的主要功能是柴油的贮存和泵送;压缩空气系统主要用于雾化柴油或污油，污油燃烧器停止工作之前冲洗管路，及推动一些执行机构(如加料门)等;电气控制柜主要用于集中安装焚烧炉一些控制设备;焚烧炉本体主要由炉膛、加料门、出灰门、柴油燃烧器、污油燃烧器、鼓风机、风门调节机构等组成,固体垃圾或污油燃烧主要在其中完成。系统原理见图1。

图1 船用焚烧炉系统原理图

3 船用焚烧炉主电路设计

船用焚烧炉主电路的主要设备有隔离开关、热继电器、交流接触器、MM430型变频器、污油变量泵、污油粉碎泵、柴油泵、风机等。该电路设计见图2。

4 控制部分硬件设计

控制系统是船用焚烧炉系统的灵魂，代表着船用焚烧炉智能化程度的高低。控制设备主要集中安放在电气控制箱内。电气控制箱主要包含下列设备：正面上有操作开关、显示控制屏、指示灯；箱内有隔离开关、继电器、交流接触器、变压器、PLC(Programmable Logic)等。其中PLC是控制系统的核心部件,选用S7-200型。 S7-200系列中的CPU226(Central Processing Unit 226)型PLC具有成本低、功能强的优点，结构上具有24个输入点和16个输出点，满足该系统的要求。[7]扩展模块选用EM235型模拟量扩展模块，该模块具有4路输入和1路输出，可以将PLC外部的模拟量变成数字量输送到PLC内部进行处理，将PLC输出的数字量转换成模拟量以控制被控对象。

图2 船用焚烧炉主电路

S7-200系列中CPU226型PLC的输入、输出端口分配见表1。一次端控制设备安装在焚烧炉本体上，主要有热电偶、热电阻、压力传感器、负压传感器、火焰探测器等。显示控制屏主要用于显示和调整焚烧炉的参数以及方便工作人员操作。显示控制屏选用文本显示器TD(Text Display) 400C型显示器，该显示器专门支持S7-200，具有价格低廉和操作方便等优点。TD 400C通过TD/CPU电缆与S7-200 CPU相连。[8]

5 船用焚烧炉工作原理分析

该种船用焚烧炉有2种工作方式：焚烧固体垃圾工作模式，焚烧污油工作模式。

5.1固体垃圾焚烧工作原理

1) 合上电源开关，选择焚烧固体垃圾工作模式。

2) 启动鼓风机，扫风30 s。

3) 启动柴油泵，柴油燃烧器喷油点火。如果8 s之内火焰探测器检测到火焰，则继续燃烧;如果8 s之内检测不到火焰，则发出声光报警并停炉。

4) 燃烧室温度继续升高。如果5 min之内炉膛温度高于600℃，则正常燃烧；如果低于600℃,则发出声光报警和停炉。[9]

5) 在燃烧的过程中，如果燃烧室温度升到1 000℃，则柴油燃烧器停止燃烧;如果降到900℃，则柴油燃烧器重新点燃。这样设计，可保证消耗最少柴油，焚烧最多垃圾。

表1 PLC I/O 分配表

6) 在焚烧工作过程中，如果安装在烟囱上的热电阻检测到排烟温度高于350℃，或安装在炉膛的热电阻检测到炉膛温度高于1 200℃，燃烧室负压高于-10 Pa，柴油燃烧器油压低于0.5 MPa，雾化室气压低于0.5 MPa，则控制单元发出声光报警并停炉。

7) 按停炉开关，则柴油燃烧器停止燃烧，鼓风机继续运行，当炉膛低于60℃时，鼓风机停止运转。

5.2污油焚烧工作原理

1) 合上电源开关，选择焚烧污油工作模式，污油粉碎泵运转。

2) 污油柜内温度传感器检测污油温度是否大于110℃，如是，进入扫风程序；如不到110℃，则等待蒸汽对污油继续加热。这样设计，有利于污油中水分蒸发，减少进入炉膛的实际水分。

3) 启动鼓风机扫风30 s。

4) 启动柴油泵，柴油燃烧器喷油点火。如果8 s之内火焰探测器检测到火焰，则继续燃烧;如果8 s之内检测不到火焰，则发出声光报警并停炉。

5) 当炉膛温度达到650℃时，进入污油燃烧程序，此时变频器根据炉膛温度调节污油变量泵的转速，改变喷入炉膛的污油量。在焚烧工作过程中，如果安装在烟囱上的热电阻检测到排烟温度高于350℃，或安装在炉膛的热电阻检测到炉膛温度高于1 200℃，燃烧室负压高于-10 Pa，柴油燃烧器油压低于0.5 MPa，雾化室气压低于0.5 MPa，则控制单元发出声光报警并停炉。

6) 在燃烧的过程中，如果燃烧室温度升到1 000℃，则柴油燃烧器停止燃烧；如果燃烧室温度降到900℃，则柴油燃烧器重新点燃。这样设计，可保证消耗最少柴油，焚烧最多污油。同时，可实现高温燃烧，使燃烧更彻底，减少污染排放物。

7) 当污油柜液位高度达到低位时，控制系统发出停炉指令，关闭柴油燃烧器、污油燃烧器，柴油泵、污油泵等停止运转。

8) 风机继续运行，进入冷却程序。炉膛温度低于60℃，风机停止运转。

6 船用焚烧炉控制系统一些工作数据设置

在设计船用焚烧炉控制系统时，一些工作数据(如报警极限数据)的设置至关重要，对系统的工作可靠性、安全性、经济性具有重要影响。船用焚烧炉控制系统工作数据的设置见表2。

表2 船用焚烧炉控制系统工作数据设置表

7 结 语

由于采用了变频调速技术和柴油燃烧器自动启停技术，该系统焚烧单位垃圾或污油耗柴油量比普通系统低5%。同时，实现了污油高温加热和垃圾高温燃烧，焚烧效率大大提高，排放指标得到降低。试验证明，该控制系统具有工作可靠性、经济性、较好的先进性，值得推广。研究船用焚烧炉控制技术，做到垃圾处理环保化，能源利用高效化，向绿色航海方向发展。

[1] 王建强，陈纪赛．船舶污染物处理技术及发展方向探讨[J]．船海工程，2010,39(6)：71-77．

[2] 崔建伟，韩晓波，徐筱欣．船用垃圾焚烧炉整体结构的三维数值模拟[J]．船舶工程，2010(S2)：143-146．

[3] 孟峥嵘， 王春明．船用焚烧炉技术现状及发展趋势[J]．交通科技，2012(1)：104-106．

[4] 徐筱欣， 韩小波．船用焚烧炉烟气排放控制技术研究[J]．江苏船舶，2009,26(2)：1-3．

[5] 国家标准化委员会．GB/T 10836—2008,船用焚烧炉要求[S]．北京：中国标准出版社，2008．

[6] 殷佩海．船舶防污染技术[M]．大连：大连海事大学出版社，2000: 136-143．

[7] 田淑珍．S7-200 PLC原理及应用[M]．北京：机械工业出版社，2009: 11-13.

[8] 廖常初．PLC编程及应用[M]．北京：机械工业出版社，2008: 246-248.

[9] 施耀新，刘红飞．基于比例调节的船用焚烧炉系统研发[J]．船舶，2012,23(6)：43-47．

[10] 黄运佳，罗良宝．船用焚烧炉系统参数和控制策略[J]．船舶设计通讯，2011(1)：43-47．

DesignofMarineIncineratorControlSystemBasedonPLC

CHENXin’en，CAIJianbang，QINHaofeng

(Maritime College, Guangzhou Maritime Institute, Guangzhou 510725, China)

The satisfactory operation of a incinerator relies on effective control system. The composition of marine incinerator system is expiained, and the design requirements of the control system of marine incinerator, the equipment composition and the allocation of PLC I/O, and some work parameter settings are illustraed. Two types of working principles of marine incinerator for burning waste oil and solid wastes are discussed. The system designed is highly automated with reliable safety protection and can treat the sump oil containing water up to 60%. Tests indicate that the fuel consumption of this system is 5% less than that of conventional systems.

ship engineering; protection of marine environment; marine incinerator; control system; PLC

2014-05-06

广东省科技计划项目(2012B010500030)；广东省交通运输厅科技项目(2012-04-005)；广州市黄埔区科技计划项目(201258)

陈新恩(1972—)，男，湖北黄冈人，高级实验师，硕士，主要从事轮机工程技术教学和研究工作。E-mail：cxe29@126.com

1000-4653(2014)03-0025-03

U664.9; TP273

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