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于晓龙
大连海事大学
毕业论文
二○一一年七月
焚烧炉PLC控制原理分析
及典型故障的排除和改进
专业班级：
船舶与海洋工程
姓 名：
于晓龙
指导教师：
韩彩娟
继续教育学院
内容摘要
本文主要分析了“太阳神”轮所使用的ATLAS200SLWSP型焚烧炉的PLC控制原理。
叙述了内加料门开启失效这一典型故障的分析及排除过程。
并针对该焚烧炉设计不足之处，提出了相应的改进措施。
文章首先介绍了目前船舶焚烧炉的使用情况及技术要求。
其次介绍了“太阳神”轮焚烧炉装置的系统组成和操作方法。
再者根据该焚烧炉的工作特点和控制系统的组成，以及相关国际防污染公约的规定和限制，总结出其运行中的具体控制参数，并结合系统电路图及ModiconMicroTSX3722型PLC外围接线图，着重分析了该焚烧炉的PLC控制原理及其系统的控制流程；另外就焚烧炉的负压调整方法进行分析，提出了改进措施；通过分析实习期间焚烧炉内加料门开启失效的故障，介绍了内加料门启闭的控制原理及特点，并采取有效措施排除了故障，进而提出其控制的改进方案。
最后结合焚烧炉叙述了机械设备日常管理注意事项和心得体会，以及实习的收获。
关键词：
焚烧炉参数负压PLC控制原理故障分析改进措施
ABSTRACT
ThispapermainlyintroducedthePLCcontrollingprincipleofTaiYangShen’sATLAS200SLWSPincineratorwhichisproducedbyDanmarkAtlascompany.analyzeandsolvethesluicedooropeningandlosingefficiencythistypicaltroubleindispelling.dependingontheincinerator’sdesigninsufficiency,proposesomecorrespondingimprovementmeasures.
Thearticlehasintroducedtheoperatingpositionoftheshippingincineratorandtechnicalrequirementatpresentatfirst.MakingupandworkingtechniquethatsecondlyhasrecommendedbreedingthesystemofTaiYangShen’deviceofanincinerator.Moreoveraccordingtotheworkingcharacteristicofthisincineratorandcompositionofcontrolsystem,andregulationandrestrictionofrelevantinternationalantipollutionconventions,summarizeitsconcretecontrolparameterwhileoperating,combinethewiringofsystematiccircuitandPLC,hasanalyzedemphaticallyPLCofthisincineratorcontrolsthecontrolprocedureofprincipleandsystem;Inadditionadjustthemethodandanalyze,haveproposedimprovingthemeasureonthenegativepressureoftheincinerator;Throughanalyzingthesluicedoorintheincineratorduringpractisingopenstheinvalidtrouble,controlprincipleandcharacteristicthatthesluicedooropensandcloses,taketheeffectivemeasuretodebugwhileintroducing,andthenproposeitscontrol'simprovementscheme.Combinetheincineratorfinallyandnarratedeverydaycontrolattentivemattersofmechanicalequipmentandgainsindepthofcomprehension,andtheharvestpractised.
KeyWords:
incineratorparameternegativepressure
PLCcontrollingprincipletroubleshooting
improvementmeasure
目 录
第一章 前言1
1.1国内外船用焚烧炉现状1
1.2焚烧炉技术要求1
第二章 “太阳神”轮焚烧炉2
2.1系统组成2
2.2燃烧器6
2.3控制屏7
2.4操作方法9
第三章 焚烧炉控制系统原理11
3.1控制系统组成11
3.2控制参数11
3.3PLC控制原理13
3.4系统控制流程15
第四章 焚烧炉炉膛负压调整方法的改进19
4.1炉膛压力相关参数分析19
4.2负压控制的改进方案20
第五章 内加料门开启故障及其控制的改进措施21
5.1故障现象21
5.2工作原理及特点21
5.3故障原因分析及故障排除22
5.4改进措施24
5.4.1设计不足之处24
5.4.2改进方案24
5.4.3改进后优点25
结论26
参考文献27
第一章 前言
目前环境问题日益受到人们的重视，海洋环境也毫不例外。
随着全球经济的发展和船舶数量的增加，船舶对海洋环境的污染也越来越严重。
由于船舶运输工作流动性大，特别是远洋运输船舶，存在着在这期间因工作、生活所产生的垃圾和污油，为减少污染和减轻船舶负担必须进行处理，相比之下焚烧法是比较理想的选择，因此焚烧炉作为船舶的重要防污染设备之一，被越来越多的船舶所使用，其重要性不言而喻，随着技术不断革新，PLC控制的焚烧炉已逐渐普及，其操作、使用及维修保养备受船舶轮机部人员的关注。
1.1国内外船用焚烧炉现状
各种防止船舶垃圾污染的规定和法规促进了船用焚烧炉技术的不断发展，近年来，世界各国研制的焚烧炉已有50多种，表1-1列举了其中一些。
表1-1部分国内外船用焚烧炉一览表
技术参数
型号
生产厂家
焚烧对象
焚烧能力
炉膛
造型
排烟
温度
功率
污油
垃圾
HAMWORTHY
英国哈姆沃西公司
污油
固体垃圾
112
L/h
250
kg/h
旋风式
350℃
22KW
ASWI-402
丹麦阿特拉斯公司
污油
固体垃圾
37.5L/h
139
kg/h
多室式
350℃
18KW
FREDRIKSSTAD
挪威
污油
固体垃圾
60
L/h
75
kg/次
旋风式
350℃
4.9KW
VWM-75
日本
VOLCAND
废油污水
固体垃圾
78
L/h
75
kg/次
多室式
350℃
6.4KW
OG120
中国中船公司
废油污油
固体垃圾
4
L/h
200/4-6
L/h
旋风式
350℃
1.5KW
1.2焚烧炉技术要求
现代船用焚烧炉结构相差较大，但燃烧原理基本类似，都是通过高温热处理技术焚烧垃圾及污油。
其主要应满足以下要求：
1）要使含有固体杂质和较多水分的污油能可靠地完全燃烧，要求能将污油水搅拌均匀并加热到适当温度，最好油、水比例在一定范围内（一般不超过50%）且不含太多杂质，污油柜与焚烧炉不要太远；要选用对杂质不敏感且雾化良好的污油燃烧器。
2）要有适当高的炉内温度，温度太低（＜600°C）不利于污油完全燃烧，并且使固体垃圾燃烧困难，温度太高（＞900°C）会对炉体造成损害，所以系统应设有辅助燃烧器。
3）工作时，要求炉内保持适当的负压，这样才能保证打开投料口投放固体垃圾时不致造成高温燃气外泄而危及工作人员的安全，所有系统应设有引风设备。
4）焚烧炉外壁温度不宜太高，排烟的温度也不宜太高（一般小于300～350℃），同时应尽量减少排烟中有害物质的浓度，以防对大气造成二次污染。
为此，焚烧炉除炉壁有良好的隔热材料外，还常设有由鼓风机送供风的空气冷却夹层，并在炉内设耐火隔墙，延长燃气在炉内的停留时间，以保证完全燃烧和减少带走的灰尘；同时应使排烟和部分供风混合后再排出，从而使排烟能够得到稀释和降温。
第二章 “太阳神”轮焚烧炉
“太阳神”轮采用的是丹麦生产的ATLAS200SLWSP型多室式焚烧炉，配有1200SP型污油柜。
在标定工况下，该焚烧炉的污油处理量为24L/h，垃圾的处理量为40kg/h，热容量180kcal/h，排烟温度350℃，功率11KW。
2.1系统组成
如图2-1所示为：
“太阳神”轮ATLAS200SLWSP型焚烧炉的系统图，主要包括焚烧炉本体和各个系统，如污油系统、压缩空气系统、柴油系统、蒸汽加热系统和空气-烟气系统等。
1．焚烧炉本体
焚烧炉本体主要包括一级燃烧室、二级燃烧室、烟道、内/外加料门、灰门等。
炉体顶部装有一台鼓风机、污油燃烧器（自带风机）、污油计量泵、一级/二级燃烧器组件（包括燃烧器、风机、柴油泵）。
一级燃烧室用于焚烧污油或固体垃圾，二级燃烧室用于焚烧来自一级燃烧室的未完全燃烧气体，以降低废气对大气污染的程度。
固体垃圾先后经外、内加料门方可进入一级燃烧室，燃烧产生的灰渣从灰门排出。
2．污油系统
污油由粉碎泵（带刀片的离心泵）从污油柜吸入，然后再回到污油柜，如此多次循环加热、粉碎和搅拌后，可形成小颗粒的乳状液；同时，污油循环泵（单螺杆泵）从粉碎泵的出口吸入污油，然后流回污油柜，用于对污油管路保温。
污油柜中设有蒸汽加热器，通过蒸汽管路上的温控阀控制加热温度。
污油定量泵（单螺杆泵，由变频电机驱动）经滤器从污油循环管路中吸油，然后将其送至污油燃烧器进行燃烧。
在工作过程中，污油定量泵会根据一级燃烧室内温度的变化来调节污油的供应量。
图2-1“太阳神”轮焚烧炉系统图
21B3—热电阻；21B5、21B7--热电偶；24S5、24S9、25S2-压力开关；24S6.1、24S7、24S8-微动开关；31Y10、31Y7、31Y8、33Y10、33Y4、33Y5、33Y8、33Y9、34Y4、34Y5-电磁阀；33Y3-电动门；35B7、35B9-火焰探测器；5M4-鼓风机；6M4-计量泵；8M3-二级燃烧器；8M5-一级燃烧器；8M6-污油燃烧器风机；B-污油燃烧器；BK-混合室；C2-气动门；C3、C4-气动闸阀；IG-内加料门；IL-外加料门；IL1-灰门；M1、M2、M3、M4-压力表；PU1、PU2-柴油泵；RD-调风门；SCV-节流阀；25S6、25S7-液位开关；25S8-温度开关；7M2-粉碎泵；7M4-循环泵；RVB-蒸汽调节阀；QCV-速闭阀；TS4-调温传感器
3．压缩空气系统
压缩空气系统供给7bar的压缩空气。
有三个作用，即污油雾化，清洁污油管路和控制内外加料门（速闭阀的控制空气单独供给）。
如图2-1，一路压缩空气经减压阀组到电磁阀31Y10，当焚烧炉燃烧停止后不久，电磁阀31Y10左路通，压缩空气进入污油电磁阀33Y10后的管路，将管内残留的污油泥吹干净，防止下次点火时由于残留的污油温度低而影响正常发火燃烧。
正常燃烧污油时，电磁阀31Y10右路通，压缩空气进入污油燃烧器雾化污油。
另一路压缩空气直接分两路进入内、外加料门的电磁阀34Y5、34Y4。
在燃烧固体垃圾期间：
其中手按下加料按钮时，外加料门电磁阀34Y4断电，使压缩空气经阀左路到达气动门，锁闭外加料门，确保内加料门打开时外加料门不会误开，高温烟气伤及人员。
随后内加料门电磁阀34Y5通电，使压缩空气可以到达气动门开启内加料门，此动作期间外加料门的微动开关检测外加料门是否锁闭，与内投料门之间形成联锁，即微动开关若检测出外加料门没有锁闭，也就是处在可以开启的位置时，内加料门就无法开启。
4．柴油系统
柴油系统主要用于供给两个柴油辅助燃烧器燃烧使用的柴油。
柴油燃烧器设计成油泵和风机同轴安装在电机两侧，并由该电机同时驱动的整装式结构，风机旁有调节风门，可调节燃烧柴油所需要的空气量，如图2-2。
在日常使用中，风门可能需要重新调整。
如果没有可用的测量工具，请观察是否有黑烟将从烟囱冒出，如果有，调整一级燃烧器的空气风门，直到此现象消失。
如果废气的温度太高，或者废气中发现火星，这个现象可通过调整二级燃烧器的空气风门（左旋即数字增大的方向，空气量增加；右旋即数字减小的方向，空气量减少）。
图2-2空气风门调节
焚烧炉轻柴油柜的柴油经滤器和液压阀件通过独立的两路分别供给一级、二级柴油燃烧器使用，一、二级燃烧器分别位于一、二级燃烧室，两燃烧室用耐火墙隔开。
一级燃烧器燃烧产生的大量热将烘干固体垃圾并且开始点燃一级燃烧室中的垃圾或污油，从一级燃烧室出来的燃烧烟气将在二级燃烧室进行最后的燃烧，进一步减少排出烟气对环境的污染。
此外二级燃烧器还有特别重要的作用就是燃烧前预热燃烧室，当二级燃烧室温度达到400C（752F）时一级燃烧器才开始点燃，并且两燃烧器都根据各自燃烧室的温度点燃或熄灭，使燃烧室温度保持在一定范围内，确保固体垃圾或污油有效燃烧所需要的热量和燃烧室内负压合适。
最终产生的废气在混合室中同一部分冷却空气混合后（目的是进一步稀释燃烧废气），被冷却空气及时引流至废气烟囱，这对于燃烧室负压的形成很重要。
混合室的后部设有调风门，用于调节燃烧室负压大小，后面将具体分析。
5．蒸汽加热系统
蒸汽加热系统主要用于污油泥柜中渣油的加热，使其粘度降低，易于泵送和点火燃烧，调温传感器TS4根据污油的温度控制蒸汽调节阀RVB的开度，进而控制加热蒸汽流量，使油温保持在110～120℃。
6．空气-烟气系统
本装置中有两类空气，分别是冷却空气和燃烧空气。
冷却空气由装于焚烧炉顶部的鼓风机送入焚烧炉炉壁内的空气夹层，用于冷却焚烧炉外壳，并与燃烧后的高温烟气混合，以冷却并稀释排出的烟气。
燃烧固体垃圾和污油的绝大部分空气由鼓风机供给，污油燃烧器、一级燃烧器和二级燃烧器相应的自带风机也提供一些燃烧空气。
燃烧产生的废气经排烟管排出，调风门用于控制燃烧室内压力的大小，从而改善燃烧效果。
此外，系统中还有各种控制元件，如液位开关、温度开关、微动开关（限位器）、火焰探测器（35B7、35B9）和热电偶（21B5、21B7）等，用于实现焚烧炉的自动控制，并可在装置运行异常时发出声光报警，乃至停止燃烧。
2.2燃烧器
焚烧炉中一般设置有辅助燃烧器和污油燃烧器。
辅助燃烧器可燃用重油或柴油，用于预热炉膛，保持炉内足够高的温度，以引燃污油燃烧器及固体垃圾；污油燃烧器只用于焚烧污油。
“太阳神”轮设置有两个柴油辅助燃烧器（一级/二级燃烧器）和一个污油燃烧器。
辅助燃烧器采用的是压力式燃烧器，其基本原理较为简单，这里仅介绍气流式污油燃烧器。
图2-3所示为“太阳神”轮焚烧炉污油燃烧器的原理图。
该气流式燃烧器利用压缩空气（也有些气流式燃烧器使用蒸汽）使污油雾化而燃烧。
这种燃烧器的喷嘴采用套管形式，外管5内套有内管6，从而在内、外管之间形成环形污油通道。
工作时，压缩空气从气孔8中高速喷出，与从油孔7喷出的污油在混合孔9内高速撞击，污油被撕碎成细小油滴。
雾化后的小油滴与燃烧风机供入的燃烧空气充分混合，然后在燃烧室中燃烧。
这种燃烧器雾化效果好，与空气混合均匀，燃烧迅速，炉膛负荷高，污油在炉内燃烧时间短，焚烧量大。
其缺点是对污油中颗粒的直径要求较高，需要将粒径控制在0.8mm以下，否则喷嘴容易堵塞。
图2-3气流式燃烧器
1.喷嘴体；2/3.垫圈；4.喷嘴帽；5.外管；6.内管；7.油孔；8.气孔；9.混合孔
2.3控制屏
图2-4焚烧炉控制屏
如图2-4为该焚烧炉控制面板上的控制屏，其包括一个显示屏和6个按键：
F1图像左移–屏幕编号减小
F2图像右移–屏幕编号增加
F3增大给定值
F4减小给定值
ENTER确认及报警复位
ESC取消或退出
字母F1--F4按键内部有个红色的发光二极管，这指示该按键是否在所指的界面上起作用。
以下界面可以通过使用F1和F2键选择：
界面1.ATLASINCINERATORMODELATLAS（焚烧炉工作方式）
界面2.SELECT-FUNCTION（选择功能）SOLID&OILSOLID（固体垃圾和渣油）
当焚烧炉不在运行中时，一种新操作方式可以通过使用F3键和F4键选择，被启动的操作方式用标记。
界面3.SLUDGE-CONTROL（污油控制）：
OFFAUTO（自动）和MANUAL（手动）
污油的操作方式可以通过使用F3键和F4键选择，启动的操作方式用标记。
界面4.COMB-PRIM.（级燃烧室温度）XXXX°C
TEMP:
SECOND（二级燃烧室温度）XXXX°C
这个界面显示主要和二级燃烧室的当前温度，当焚烧炉在运行中时，如果5分钟内没有按钮动作，这个屏幕就是默认界面。
界面5.FLUEGASTEMPERATURE（排烟温度）:
XXX°C
这个界面显示从燃烧室出来的烟道中烟气的当前温度。
界面6.SLUDGEPUMPSPEED（污油计量泵速度）:
XXX%
这个界面以一个40Hz的百分数显示当前污油计量泵的速度。
界面7.SETPOINT-COMBUSTIONTEMPERATURE（燃烧温度的设定值）:
XXXX°
燃烧污油泥时，这个界面用来给定燃烧温度的设定值。
界面8.TIME（时间）:
hh:
mmDATE（日期）:
dd/mm–yyyy
这个界面显示PLC的系统时间和日期。
界面9.LAMPTEST（测试灯）:
PRESS:
F3
这个界面允许你通过按F3键执行测试灯功能。
2.4操作方法
1.起动焚烧炉的准备工作
启动焚烧炉前，打开控制箱的主电源开关，打开柴油系统管路上的所有阀和压缩空气进口阀，确保鼓风机进气和烟囱排烟畅通，确保柴油柜和污油泥柜液位正常。
如果要焚烧污油，需提前打开污油柜蒸汽进出口阀，将污油加至110～120℃，盘车检查污油粉碎泵、循环泵及计量泵的状况；如果要焚烧垃圾，则提前打开外加料门，将垃圾放入，然后关闭外加料门，同时确保内加料门和灰门处于关闭状态。
2．焚烧固体垃圾
（1）起动焚烧炉。
在控制面板上选择“垃圾”模式，将焚烧炉起停旋钮转至“起动”位置，鼓风机将自动起动，对燃烧室进行预扫风；同时一/二级燃烧器电机、污油燃烧器电机运行；程序计时器工作。
（2）起动预加热。
在起动焚烧炉并经过30s的预扫风后，二级燃烧器点火燃烧。
（3）火焰控制。
根据燃烧室的温度，二级燃烧器将自动点火或熄灭。
万一火焰失败，延时1s后警报将被激活。
（4）起动燃烧。
当二级燃烧室的温度达到400℃时，一级燃烧器点火燃烧；同时，二级燃烧器持续燃烧。
按下加料面板上的“加料”按钮，预先放入加料门内的垃圾供入燃烧室，垃圾开始焚烧。
（5）二级燃烧器的自动起停。
当二级燃烧室的温度达到930℃时,二级燃烧器停止燃烧，二级燃烧器风机持续运转；当温度下降到830℃以下时,二级燃烧器重新点火燃烧。
（6）一级燃烧器的自动起停。
在焚烧垃圾的过程中，若一级燃烧室的温度超过了910℃，则一级燃烧器将自动停止燃烧，若温度低于810℃，则自动起动。
（7）停止燃烧。
将起停按钮转到“停止”位置，一级和二级燃烧器停止燃烧，鼓风机及一级/二级燃烧器风机，污油燃烧器风机继续运行，焚烧炉进入冷却程序。
（8）停止焚烧炉。
当焚烧炉内的温度下降到100℃以下时，冷却程序结束，各风机自动停止。
30分钟后切断控制箱上的主开关，焚烧炉操作结束。
3．焚烧污油
（1）起动焚烧炉。
在控制屏上选择“污油”模式，粉碎泵和循环泵开始运转，将焚烧炉起停旋钮转至“起动”位置，鼓风机将自动起动，对燃烧室进行预扫风；同时一/二级燃烧器电机、污油器电机运行；程序计时器工作。
（2）起动预加热。
在起动焚烧炉并经过30s的预扫风后，二级燃烧器点火燃烧。
（3）火焰控制。
根据燃烧室的温度，二级燃烧器将自动点火或熄灭。
万一火焰失败，延时1s后警报将被激活。
（4）起动燃烧。
当二级燃烧室的温度达到400℃时，一级燃烧器点火燃烧；同时，二级燃烧器持续燃烧。
当一级燃烧室内温度达到600℃时，污油计量泵自动起动，管路上的电磁阀同时打开，污油供应至污油燃烧器，并在高温的一级燃烧室内被点燃；在污油燃烧的过程中，一级燃烧室内温度将自动保持在850-950℃，由计量泵通过污油供应量的变化来实现。
在焚烧污油的过程中，也可随时通过“加料”按钮打开内加料门进行垃圾焚烧。
（5）二级燃烧器的自动起停。
当二级燃烧室的温度达到930℃时,二级燃烧器将停止燃烧，其风机持续运转；当温度下降到830℃以下时,二级燃烧器重新点火燃烧。
（6）一级燃烧器的自动起停。
在污油燃烧器工作的过程中，若一级燃烧室的温度超过910℃，则其将自动停止燃烧，若温度低于810℃，则自动起动。
（7）停止燃烧。
将起停按钮转到“停止”位置，一/二级燃烧器、污油燃烧器停止燃烧，鼓风机及一级/二级燃烧器风机，污油燃烧器风机继续运行，焚烧炉进入冷却程序。
（8）停止焚烧炉。
当焚烧炉内的温度下降到100℃以下时，冷却程序结束，
各风机自动停止。
30分钟后切断控制箱上的主开关，焚烧炉操作结束。
第三章 焚烧炉控制系统原理
3.1控制系统组成
如图3-1所示为该焚烧炉的控制箱，控制箱的正面有进行操作的按钮、显示屏和指示灯。
箱内设备是组成整个控制系统：
21D1、24D2、30D2和23D6组成PLC单元，是整个焚烧炉控制系统的核心。
5Q4、6Q4、7Q2、7Q4、8Q7.1、8Q7.2、8Q8分别为鼓风机、污油计量泵、粉碎泵、循环泵、变压器、230V电路、24V电路的断路器，断路器主触头手动启闭，可以用于单个线路检修时断开电源及实现过电流等一些保护功能，通常情况下在闭合位置。
34K9、31K3、35K2、32K2、32K3、9K4、30K5、34K6、34K8分别为鼓风机接触器、二级燃烧器接触器、一级燃烧器接触器、粉碎泵接触器、循环泵接触器、230V电路继电器、内加料门继电器、外部报警继电器、速度控制单元继电器，这些控制电器用于接受控制系统的控制信号，送出下一级所需的控制信号。
3OH3焚烧炉运行指示灯，30H4报警指示灯，64U为污油计泵调速单元，8T7为变压器（将380V电源降压为220V和24V送给各控制回路和控制电器）。
图3-1焚烧炉控制箱
3.2控制参数
根据焚烧炉的技术要求及相关国际防污染公约的规定和限制，焚烧炉运行中对其影响较大的参数主要有炉膛温度、炉膛压力、进气量和排烟温度。
具体分析如下：
一、炉膛
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