船舶辅锅炉的自动控制系统分析Word格式文档下载.docx

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1锅炉的类型-------------------------------------------------------------1

1.1烟管式辅锅炉-----------------------------------------------------1

1.2水管式辅锅炉-----------------------------------------------------1

1.3烟管—水管式辅锅炉-----------------------------------------------2

1.4废气锅炉---------------------------------------------------------2

2锅炉的结构与附件-------------------------------------------------------2

2.1锅炉的基本组成和工作原理-----------------------------------------2

2.2锅炉的本体组成---------------------------------------------------2

2.3锅炉的辅助设备---------------------------------------------------3

3锅炉的自动控制---------------------------------------------------------4

3.1锅炉的水位自动控制系统-------------------------------------------4

3.2锅炉的燃烧自孔子和系统-------------------------------------------6

3.3过热蒸汽温度自动调节系统-----------------------------------------8

3.4锅炉蒸汽压力自动控制---------------------------------------------9

3.5锅炉运行中的管理------------------------------------------------11

结论---------------------------------------------------------------------12

致谢语-------------------------------------------------------------------13

参考文献-----------------------------------------------------------------14

0引言

在柴油机动力装置的货船上，加热燃油、滑油、水及生活所需的蒸汽，都来自小型辅锅炉。

辅锅炉具有蒸发量小（一般小于5t∕h），气压低（一般低于1MPa），对蒸汽品质要求不高等特点，所以容易实现自动化。

它包括水位和蒸汽压力自动控制，燃烧的时序控制及安全保护等。

控制系统要求工作可靠，维修简单，造价低，便于管理。

船用锅炉的种类较多，从结构、工作特性反面基本可分为火管式和水管式两大类。

锅炉是发电、炼油、化工、造纸、制糖等工业部门必不可少的动力设备。

由于设备分散、管理不善或技术上的原因，多数锅炉目前还处于人工控制状态。

人工控制不仅加大了操作工人的强度，而且燃烧的消耗量与蒸汽生产量的比值主要取决于操作工人的技术水平和工作责任心，难以使锅炉处于良好的工况，增加了燃料消耗，降低了锅炉的热效率，增加了环境污染。

由于计算机具有记忆、高速运算和便于集中控制等优点，而且计算机程序具有灵活性，可以方便地组成和修改控制算法，所以在锅炉控制中采用微机代替人工进行控制。

1锅炉的类型

在现代内燃机动力装置的船舶上，辅助蒸汽锅炉（简称辅锅炉）是对水进行加热而产生蒸汽的设备。

船用锅炉的种类较多，从结构、工作特性方面基本可分为火管式和水管式两大类。

锅炉的组成主要包括三部分：

燃烧室--供燃油燃烧产生热量的炉膛（或炉胆）；

火管（或水管）--将热量给炉水使其气化的管簇；

容汽空间--蒸汽从水中分离出来所占的空间。

船用辅锅炉主要有以下类型。

1.1烟管式（又称火管式）辅锅炉

燃料在炉膛内燃烧所产生的高温烟气通过燃烧室进入烟管，最后从烟囱排放出去。

烟气以一定的流速流过烟管时，与管外包围着的炉水进行热交换，以产生一定参数的蒸汽。

这种类型锅炉热负荷较低，结构尺寸较大，但补给水品质要求低，管理方便。

1.2水管式辅锅炉

燃料在炉膛内燃烧所产生的高温烟气在水管外侧横向冲刷管壁，与管内流动的炉水进行热交换，并产生一定参数的蒸汽。

该型锅炉具有布置合理，水循环良好，启动迅速，热效率高等优点，它能提供较高参数的蒸汽，是较经济的一种锅炉。

1.3烟管—水管联合式辅锅炉

属组合型，兼有水、火管锅炉部分特点，但因结构复杂、笨重，故目前选用不多。

上述三类辅锅炉在船舶上大多是自成一单独系统，常见的蒸汽参数：

蒸汽压力P=0.49—0.69MPa表压；

蒸汽产量D=3.0—20t∕h。

该类锅炉一般要求设置辅助受热面、经济器、空气预热器等。

1.4废弃锅炉

它不是独立的整体，而是配置在主机的排烟管上，用以回收主机排除烟气中的余热，故称废弃锅炉。

废弃锅炉力求结构简单，维护方便及安全可靠等。

因此，一般都采用烟管式结构。

废弃锅炉蒸汽压力低，蒸汽产量随主机类型、功率大小、蒸汽压力高低而变化。

在现代船舶上，主机为重、大型内燃机的排气管道上，大多配置了废弃锅炉或新型的热管式辅助锅炉[1]。

2锅炉的结构与附件

2.1锅炉的基本组成和工作原理

将其它热能转变成其它工质热能，生产规定参数和品质的工质的设备称为锅炉。

船舶辅锅炉按结构主要分为燃油锅炉和废气锅炉，燃油锅炉又可按受热面特点分为烟管锅炉和水管锅炉。

废气锅炉按结构形式又可分为立式烟管锅炉，强制循环水管废气锅炉。

锅炉的附件主要有水位计，给水阀蒸汽阀，表面排污阀，底部排污阀，水样阀，空气阀，仪表阀等[2]。

船舶锅炉是由锅炉本体和辅助设备所组成。

锅炉本体的任务是将燃料的化学能通过燃烧和传热转换为蒸汽的热能。

辅助设备是由提供锅炉工作所必须的设备和工作系统。

锅炉本体包括有炉膛、蒸发受热面、蒸汽过热器、省煤器、空气预热器等。

2.2锅炉本体的组成

1）炉膛

炉膛是燃油进行雾化燃烧的场所，它的作用是提供足够的空间使燃油得以充分的燃烧，同时，使燃烧发出的热量不会散失到锅炉外面去。

炉膛由耐火砖墙和水冷壁组成。

水冷壁就是铺设在炉膛内壁上的沸水管，它可以保护耐火砖墙不至于过热而损坏。

但是由于它是吸收高温辐射热，所以热负荷非常高，成为蒸发受热面的重要组成部分。

2）蒸发受热面

在锅炉中直接受热并产生饱和蒸汽的锅筒或管束，统称为蒸发受热面。

在蒸发管束中烟气通过对流传热方式，将热量传给管束中的锅水。

3）蒸汽过热器

蒸发受热面产生的蒸汽是含有一定湿度的饱和蒸汽，它聚集在汽包上半部的蒸汽空间中。

如果动力机械需要过热蒸汽，则必须将汽包中湿蒸汽过热器进行再加热。

蒸汽过热器由管子组成，其受热面的多少及放置的位置是根据蒸汽参数的高低而异。

4）省煤器

省煤器也称为经济器，它也是由管子组成，用来加热进入锅炉的给水。

由于它是安装在蒸发受热面的后面，吸收烟气中的预热，所以它能达到节能的作用。

为了构成必要的传热温差，蒸汽压力越高，烟气离开蒸发管束的温度也越高，因此，为了保证中、高压锅炉的高效率，必须用省煤器来回收烟气中的预热，以达到节能的目的。

5）空气预热器

空气预热器是利用烟气的余热来加热助燃的空气以改善燃料的燃烧。

空气预热器通常是安装在省煤器的后面，所以也是一种节能装置。

由于省煤器和空气预热器都是安装在蒸发管束的后面，所以统称为尾部受热面。

2.3锅炉的辅助设备

辅助设备包括有燃料和燃料系统、汽水系统、给水和水处理系统、通风系统、附件、监视仪表和控制设备等。

1）燃烧装置

燃油锅炉的燃烧装置包括有喷油嘴、调风机构和燃油系统。

喷油嘴是将燃油进行雾化；

调风机构是将助燃空气合理地导入炉膛中，使之能与雾化的燃油进行充分的混合；

燃油系统是将燃油从油舱中抽出到日用油柜，以后再从日用油柜抽出进行加温、加压、过滤、最后送到喷油嘴进行雾化，因此，在燃油系统中包括有驳油泵、燃油加热器、加压泵、油滤器、燃油截止伐、各种监测仪表、以及燃油管路等[3]。

2）给水系统和水处理系统

给水系统是由包括补充锅炉给水所必需的给水管道、给水加热器、机水泵、给水调节阀和给水管组成。

为了防止锅水中的杂质对锅炉受热面造成结垢和腐蚀，给水应进行必要的处理。

水处理的方法可分为炉外处理和锅内处理，其目的是消除给水中的硬度和保持锅水具有适宜的碱度，以及消除给水中的溶解氧。

3）通风系统

通风系统的作用是将外界空气送入炉膛中拱燃料进行燃烧，以后将烟气引出锅炉排放到大气中去。

4）汽水系统

其中包括：

（1）给水管路及管路上各种仪表和装置；

（2）蒸汽管路及管路上的各种阀门；

（3）凝水疏水管路；

（4）排污管路；

（5）锅炉附件、监测仪表和自动控制设备。

锅炉附件和监测仪表是保证锅炉安全而经济地工作所必须的装置。

3锅炉的自动控制

锅炉的自动控制是指对锅炉的给水、燃烧等热工过程变量的自动调节。

具体表现为：

安全保护；

自动启动和停炉的程序控制；

水位和汽压的自动调节；

此外，锅炉汽压低于较低的调定值时会报警；

高于某调定值时（例如0.79MPa）先是蒸汽管路的压力调节阀开启向冷凝器溢流；

更高（例如0.83MPa）则报警；

再高（例如0.86MPa）则自动熄火停炉；

若以上措施未奏效，最后会达到安全阀的开启压力（例如0.9MPa）.实现锅炉的自动控制，对安全运行、节能具有重要的经济意义。

依锅炉的结构、运行方式和所用的燃料不同，控制系统也有差异。

一般小型锅炉只有水位调节系统，中型锅炉要有燃烧和炉膛压力调节系统，大型锅炉还要有氧量校正系统，而供应过热蒸汽的锅炉还需要增加过热蒸汽温度调节系统。

3.1锅炉的水位自动控制系统

为了确保锅炉安全运行，必须对锅炉的水位进行控制，使汽包的水位保持在一定范围。

一般辅锅炉的水位大多采用双位控制：

当水位降至最低工作水位时，给水泵启动补水；

当水位升至最高工作水位时，给水泵停。

油轮辅锅炉有采用比例控制的：

调节给水泵的流量使之与水位相对于设定值的偏差成比例，可以减轻水位的变动。

图1是应用较多的三冲量给水调节系统。

三冲量是指汽包水位、给水流量和过热蒸汽流量。

其中水位是主信号,给水量是反馈信号,过热蒸汽量是前馈信号。

当过热蒸汽流量改变时调节器立即调节给水量，当给水流量受到扰动时则能使给水流量恢复到原来值。

因此，三冲量给水调节是一个前馈、反馈调节系统[3]。

图1锅炉给水自动控制系统

***轮采用的是电极式水位监测装置，通过检测到的值来控制给水泵的启停，达到自动控制的目的。

它是根据汽和水的导电率不同测量水位的。

高压锅炉的炉水导电率一般要比饱和蒸汽的电导率大数万到数十万倍，电接点水位计是由水位测量容器、电极、电极芯、水位显示灯以及电源组成。

电极装在水位容器上组成水位发生器。

电极芯与水位测量容器外壳之间绝缘。

由于水的电导率大，电阻较小，当接点被水淹没时，电极芯与容器外壳之间短路，则对应的水位显示灯亮，反映出汽包内的水位。

而处于蒸汽中的电极由于蒸汽的电导率小，电阻大，所以电路不通，即水位显示灯不亮。

因此，可用亮的显示灯多少来反映水位的高低。

一般锅炉中的电极式液位传感器的液位计由一次仪表（取样筒）和二次仪表（显示仪表）两部分组成的。

由于水和汽的导电性能差异很大，取样筒的作用是将水位变化通过电接点电阻的变化取信号，被液面浸没的电机之间由于介质电阻率小，当电极之间加上一电压时流过的电流大；

未浸入液面下的电接点流过的电流小，这两种状态下流过的电流相差很大，可作为一种信号馈送到二次仪表，经CPU处理后，显示及控制输出，以达到显示液位及控制的目的，从而可实现远距离监控。

电极式水位检测装置在检测锅炉水位时，其测量值的变化幅度较大，特别是在炉水水质变差，含盐量增加，以至于在升汽过程中发生汽水共腾时尤为剧烈。

因此要经常对锅炉水进行化验和投药处理，当进行排污达不到效果时，有必要进行换水处理。

当水位变化剧烈，给水泵启停频繁，蒸汽使用量没有增加，检查锅炉后又没有发现泄漏现象，则应考虑到有可能是内部管路穿洞造成，在条件允许的情况下，及时采取补救措施。

当检测电极表面因炉水水质变差，造成其表面结垢脏污时，检测到的水位值也会与实际有较大的偏差，因此要定时对电极进行清洗[4]。

实习时，就遇到过锅炉水位一直变化比较大，开始是上排污阀关闭不严造成的，在关掉了出海阀和调节阀后，锅炉水位的变化幅度就较为正常了。

不过这样每次对锅炉进行排污就比较麻烦。

一段时间之后，锅炉水位又开始有较大幅度的变化了，各阀门没有发现有泄漏的迹象，于是就考虑到有可能是内部管路穿洞了，因为十一月份在船厂修船时，锅炉就已经有两根烟管穿洞了。

不过由于船当时处于航行状态，不能对锅炉进行进一步的检查，所以当船开到珠江口进行抛锚时，机舱人员在轮机长的带领下，赶紧停炉放汽，放水，进行检查。

后来发现确实是由于三根烟管穿洞造成的水位变化剧烈。

在把穿洞的管封死，锅炉投入使用后，水位变化就正常了。

3.2燃烧过程自动调节系统　

由燃烧、送风和炉膛负压三个调节回路组成（图2）。

图中PI1为过热蒸汽压力调节器（PI表示比例积分调节器），其主信号是汽机前的过热蒸汽压力，当汽机负荷变化时，汽机前的蒸汽压力也随之变化。

调节器通过改变送入锅炉的燃料量，使其与变化后的负荷相适应，并将过热蒸汽压力恢复到额定数值。

PI2是送风调节器,它的作用是保持进入锅炉的空气量与燃烧量成比例关系，以保证锅炉的经济燃烧，提高锅炉热效率。

根据反映燃料量的热量信号调节送风量。

为了使排烟的热损失降到最低以提高热量的利用，在送风调节系统中引入烟气含氧量校正信号，调节系统的输出接至送风机的导向装置，以校正锅炉的送风量。

PI4是炉膛负压调节器。

锅炉在正常运行时,一般应使炉膛内保持微负压。

由鼓风机根据燃烧情况向炉膛内提供一定量的助燃风,使锅炉燃烧效率达到最高,同时另有引风机抽走烟气并在炉膛内形成微负压，目的是不让烟气、烟灰、火苗逸出而影响锅炉房的安全。

PI4的作用就是根据输入的炉膛负压信号控制引风量，维持炉膛负压为定值[5]。

图2锅炉燃烧自动控制系统

船上锅炉在使用时，若蒸汽使用量一直较大，则使其处于大火燃烧状态，蒸汽使用正常时，开关打在自动燃烧的位置，使锅炉先大火燃烧，在蒸汽压力达到高压设定值时自动转至小火燃烧。

蒸汽用量较小时，则转至小火燃烧。

有些锅炉有两个燃烧器，一个用于小火燃烧，一个用于大火燃烧。

而该型号的锅炉只有一个燃烧器，其大火燃烧和小火燃烧的控制是通过调节燃油的回油量控制油头喷入燃烧室的燃油量，来调节火焰的大小。

在点火时要开大回油阀减少供油，通过火焰探头来监视点火是否成功。

在调定的点火时间内，如果炉膛内有明显火焰则说明点火成功。

若无火焰则点火失败，自动停炉报警，待故障排除后再重新启动。

在点火成功后，维持一段时间的小火燃烧，对锅炉进行预热，然后开大风门，关小回油阀，以大风量多喷油来增加炉膛内的燃烧强度，使锅炉进入正常燃烧的负荷控制。

点火败、风机失压、中间熄火、水位过低等现象,则会自动停炉对锅炉进行保护。

当发生点火失败或中间停火，多是由于燃烧器油嘴脏堵造成的，这时要及时更换油嘴。

也可能是由于点火电极间距变大或有油污覆盖造成点或失败。

3.3过热蒸汽温度自动调节系统　

锅炉装上过热器，可使蒸汽再一次加热变成高于饱和蒸汽温度的过热蒸汽，提高蒸汽温度而不增大蒸汽流量。

在过热器的出口，由减温器通过喷嘴把水喷到蒸汽管道中与过热蒸汽混合，使过热蒸汽冷却,保持过热蒸汽的温度恒定,保护过热器管道和汽机不超过允许工作温度。

图3是串级蒸汽温度调节系统。

它由主调节器PI和副调节器P组成。

副调节器P直接控制减温水量。

在减温水发生内扰的条件下,温差电偶T2端要比T1端反应快，这时T2通过副调节器可以迅速消除内扰。

主调节器的作用是通过对过热蒸汽温度的偏差进行比例积分（PI）调节后改变副调节器的设定值，从而使过热蒸汽温度保持不变[5]。

图3蒸汽温度调节系统

锅炉过热蒸汽温度是影响锅炉安全性和经济性的重要参数。

过热器出口的过热蒸汽温度是整个汽水行程中工质温度的最高点，其正常运行的温度已接近材料所允许的最高温度。

如果过热蒸汽温度过高，容易损坏过热器，也会使蒸汽管道内的某些部件产生过大的热膨胀而损坏，影响锅炉整个系统的安全运行。

过热蒸汽温度过低，将会降低锅炉的热效率，增加燃料的消耗量，浪费资源，还会对管路中的阀件等造成汽蚀，降低使用寿命。

所以过热蒸汽温度过高或过低都是不允许的[6]。

3.4锅炉的蒸汽压力自动控制

由于燃烧自动控制系统中的被控量是汽压，所以首先要有蒸汽压力调节器，又称主调节器。

它在锅炉不同负荷下，接受汽压偏差信号病输出一个控制信号，通过伺服器控制进入炉膛的燃油量和空气量，即控制炉膛内的燃烧强度，以便保持汽压为恒定值[7]。

有些船舶采用的是电动压力比例调节系统，如图4所示，它的基本部分是一个压力比例调节器和一个由比例调节器控制的电动比例操作器。

锅炉的回油阀和风门档板都由比例操作器统一调节。

这里比例操作是用来执行调节器命令的设备，因为它根据被调参数压力的变化成比例地动作，所以称为比例操作器[8]。

图4电动压力比例调节系统

我们船所使用的蒸汽压力自动控制方式是汽压定制控制系统。

以蒸汽压力为被控量的蒸汽压力自动控制系统，要求它满足锅炉在不同负荷下，汽压都能稳定在给定值上。

其控制系统框图如下图所示：

图5控制系统框图

由图中可见，锅炉蒸汽压力自动控制系统是由两个控制回路组成的。

其中一个回路是根据蒸汽压力的偏差值经比例积分的蒸汽压力调节器来控制燃油调节阀的开度，即改变向炉膛的喷油量。

喷油量的改变必须同时改变送风量（空气量可用风道与炉内之间的压差表示），为了保证燃油完全燃烧并得到较高的经济性，对应某一喷油量要有一个最佳的送风量（最佳的空气压力）与之相匹配，即在某一喷油量下要求有一个最佳的风油比。

经实验已测定空气压力与喷油量之间近似平方关系。

这样，燃烧控制系统的另一个控制回路是根据喷油量对空气压力进行控制的回路。

在这个回路中，空气压力的给定值是随油量而变化的。

燃油量变送器输出的气压信号代表喷油量，函数发生器输出与油量平方成比例的信号，这一信号是代表该喷油量下最佳空气量的气压信号。

该信号一路直接送到高压选择阀，另一路与微分控制阀的微分部分输出信号相加后再送人高压选择阀。

因此，当锅炉负荷从一个平衡位置突然增加时，燃油控制阀的输入信号也随之突然增加，此时微分控制阀的微分部分也将随突然增加的燃油控制阀输入信号而有一个较大的输出信号，然后与函数发生器的输出信号相加后送入高压选择阀，高压选择阀的作用是自动地选择这两个信号中的较大者作为输出，从而使空气压力控制回路有一个突然增加的设定空气量信号。

由于设定空气量信号及时跳到函数发生器延迟后应输出的信号，使过量空气优先2于喷油量增加而进入炉内，从而维持了稳定的燃烧。

当锅炉负荷突然减小时，送到燃油控制阀的信号也突然减小，这时，用高压选择阀切除微分控制阀和函数发生器输出相加一路信号，并选用函数发生器输出信号。

最后，用一阶延迟方式使它减少供给炉内空气量处于燃油量减少之后。

总之，使炉内处于空气过剩状态[9]。

送入炉膛的实际空气量是用风道与炉内的压差来反映的，经差压变送器输出一个代表送入锅炉