Analysis and Improvement of Control System in the Ocean Shipping Incinerator

Frontier of Environmental Science June 2015, Volume 4, Issue 2, PP.55-63

Analysis and Improvement of Control System in the Ocean Shipping Incinerator Zhuotian Wang Dalian Maritime University, Marine engineering college, Dalian Liaoning 116026, China Email: 446108432@qq.com

Abstract Nowadays, Human beings are giving more and more attention to the ocean environment problem. As important anti-pollution equipment, incinerator becomes more and more important in ship pollution prevention. This paper has mainly introduced PLC control system of the "YUKUN" ATLAS 200SL WSP type incinerator which is produced by Danish Atlas and the modification approach for the Control method of negative pressure in the incinerator furnace. The paper has introduced ship incinerator background, technical requirement and research condition of incinerator at home and abroad at first. Secondly, has recommended all the makeup and working principle of the incinerator system in "YUKUN". Moreover, combined the circuit diagram, introduced this incinerator control system and described combustion control procedure emphatically. According to the working characteristic of the incinerator, summarize all the control parameters of the incinerator. After that, the incinerator negative pressure adjustment method is modified by analyzing the logic relationship of all the controlled parameters. Finally, get the conclusion of the incinerator and harvest Keywords: Incinerator, PLC, Control procedure, Controlled Parameters, Negative Pressure

远洋船舶焚烧炉系统控制分析与改进 王卓天 大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026 摘

要：如今人类对海洋环境问题日益重视。焚烧炉作为船舶防污染的重要设备，其在防止船舶污染方面越来越受轮机

员的重视。本文重点介绍“育鲲”轮使用的丹麦阿特拉斯（ATLAS）公司生产的 ATLAS 200SL WSP 型焚烧炉的控制系统， 以及对该焚烧炉炉膛负压控制方式进行的改进方案。文章首先介绍了船舶焚烧炉的使用背景、技术要求以及国内外相关 的研究动向，其次介绍了“育鲲”轮焚烧炉的系统组成和工作原理。再者结合电路图着重介绍了该焚烧炉 PLC 控制系统及 其燃烧的控制流程，之后根据焚烧炉的工作特点，总结出焚烧炉相关控制参数。然后根据控制参数的逻辑关系就焚烧炉 炉膛负压调整方法进行分析，并提出了改进措施。最后得出有关结论和实习的收获。 关键词：焚烧炉；PLC 控制；控制流程；控制参数；炉膛负压

引言 当前，全球航运业得到了空前的发展。在航运业飞速发展的同时，由于船舶数量的不断增加，船舶垃圾 对海洋环境造成的污染日益加剧。由于船舶营运流动性大，周期长，靠岸时间短的现状存在，导致大量工作、 生活所产生的垃圾和污油难以处理的问题出现。这些垃圾废料处理不当不仅会对海洋水质造成污染，而且对 海洋中动植物带来危害。因此国际海事规定凡是大、中型船舶必须配备船舶废料处理装置——船用焚烧炉。 焚烧炉作为船舶最重要的防污染设备之一，它既可处理固态废料，也可以处理污水油混合物。焚烧技术的应 用不仅攻克了船舶废料处理难题，减轻了船舶的负担，而且降低了船舶的营运成本。所以现在焚烧炉被越来 - 55 http://www.ivypub.org/fes

越多的船舶使用，其重要性不言而喻。虽然焚烧炉可以极大解决船舶废料处理难题，但它同样面临着如何提 高焚烧炉监控水平、运行控制管理水平、燃烧稳定性等关键问题。随着现代科技的发展，PLC 控制的焚烧炉 已逐渐普及，它不仅使焚烧炉工作效率提高，而且提高了焚烧炉工作过程的安全性和稳定性，又因其设计简 单易行，设备成本和维护费用低，所以受到航运界的广泛欢迎。

1 “育鲲”轮焚烧炉系统概述 “育鲲”轮采用的是丹麦生产的 ATLAS 200 SL WSP 型多室式焚烧炉，配有 1200 SP 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。图 1 为“育鲲”轮焚烧炉系统图。 由图 1 可知，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、出灰门等。炉体顶部 装有一台鼓风机、污油燃烧器（自带风机）、污油定量泵、一级/二级燃烧器模块（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，燃烧产生的灰渣从出灰门排 出。 M2

diesel oil inlet

NV2 PU2

31Y7

31Y8

RV2

Fuel oil inlet diesel tank inv2 P

M1 inf2

33Y4

33Y5

inv1

NV1 PU1

Max. 60 mm WG in funnel

RV1

21B3

RD 24S8

C2

8M6 24S9 5M4

BK

25S2

IL M4 24S7

35B7 B 8M5

21B5

8M3 35B9

IG

33Y10

21B7

F

33Y9

24S6.1

EF

IL1

33Y3

6M4

CV

C3

C4

O 34Y4

SCV 34Y5

Sludge oil

31Y10

Compressed air

diesel oil

7M4 T 25S8

Steam

25S6

7M2

24S5

M3 33Y8

QCV

25S7

Sludge oil mixing tank

TS4

OL Compressed air inlet 7-10 bar

RVB

TR Steam inlet Steam return

DV

VU

图1 “育鲲”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； - 56 http://www.ivypub.org/fes

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-定量泵；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；CV-安全阀；EF-二级燃烧室；F-一级燃烧室；IG内加料门；IL-外加料门；IL1-灰门；M1、M2、M3、M4-压力表；NV1、NV2-止回阀；O-滤器；OL-空气滤 器；PU1、PU2-柴油泵；RD-调风门；RV1、RV2-调压阀；SCV-节流阀；TR-调压阀组；Sludge oil mixing tank污油柜：25S6、25S7-液位开关；25S8-温度开关；7M2-粉碎泵；7M4-循环泵；DV-泄放阀；RVB-蒸汽调节阀； QCV-速闭阀；T-温度计；TS4-调温传感器；VU-蒸汽疏水器

2 “育鲲”轮焚烧炉控制系统 2.1 “育鲲”轮焚烧炉控制系统组成 本焚烧炉控制系统使用法国Schneider（施耐德）公司的Modicon MicroTSX3722型模块式PLC作为系统的 控制核心，它体积小、功能强、可扩展性好。如图2，该可编程控制器由基本单元TSX3722CPU模块（相当于 21D1），开关量输入模块TSXDEZ32DE（相当于24D2），开关量输出模块TSXDSZ32R5（相当于30D2）， 编程器XBTHD22010（相当于23D6）等组成。

图2 “育鲲”轮焚烧炉PLC结构原理图

图3 “育鲲”轮焚烧炉控制箱

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如图 3 所示为该焚烧炉的控制箱，右半部分图是控制箱的正面，有进行操作的按钮（5Q2 主开关控制手 柄，26S9 焚烧炉起停旋钮）、显示屏和指示灯（3OH3 焚烧炉运行指示灯，30H4 报警指示灯）。左半部分 图是控制箱的箱内设备，它是整个控制系统的心脏：21D1、24D2、30D2 和 23D6 组成 PLC 单元，21D1 的功 能相当于 CPU 模块，是整个焚烧炉控制系统的核心，24D2 功能相当于输入模块，接受来自逻辑和用户的各 种控制信号，30D2 功能相当于输出模块，它将 CPU 的控制信号输送到各执行电路，23D6 功能相当于编程器， 用于焚烧炉显示参数和人机交流。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，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、外报警接触器、 速度控制单元接触器。5Q2 为主开关，64U 为调速单元，8T7 为变压器。

2.2 焚烧炉系统控制参数 根据船用焚烧炉技术条件和国际防污染公约相关限制和规定，通过对垃圾焚烧过程中影响焚烧性能较大 的参数进行分析，确定船用焚烧炉焚烧过程的主要参数为炉膛温度、炉膛压力、进气量和废气温度。 2.2.1

炉膛温度

船用固体垃圾和污油主要在焚烧炉炉膛内进行焚烧处理，炉膛温度的高低直接影响垃圾和污油的焚烧效 果，合适的炉膛温度不仅可以保证垃圾的充分完全燃烧，而且可以减少垃圾焚烧过程中有害废气的产生，大 大改善焚烧炉的性能。 2.2.2

炉膛压力

焚烧炉炉膛保持一定的负压，可以使炉膛内部的高温燃气不易外泄，确保船上操作人员以及船舶安全， 同时又可以保证外部空气可以顺畅流入炉膛内部，以提供垃圾焚烧所需的空气。鼓风机引风量一定，因此炉 膛负压大小主要通过调风门机构来控制，风门挡板处于不同的开度位置，可以限制气体的流动状态，调节气 体流量，从而达到控制负压的目的。 2.2.3

进气量

污油在燃烧时所用空气主要通过污油泥燃烧器风机供给，而柴油辅助燃烧器也是相应燃烧器风机供给燃烧 空气，可以通过各自风机的风门调节机构调节其进气量。而垃圾在焚烧过程中所需的空气主要通过鼓风机引入， 经炉壁上的开孔到达炉膛。要使垃圾焚烧完全，减少污染物的形成，必须要有一定的过剩空气，并保证污油或 垃圾与助燃空气充分接触。所以进入炉膛的空气量的多少也是影响垃圾焚烧完善程度的一个重要因素。 2.2.4

废气温度

国际防污染公约明确规定焚烧炉炉膛出口温度不应高于 1200℃，烟气排放温度不应高于 350℃。排烟温 度过高除了会带走大部分的热量外，还会产生二噁英等污染物，同时造成设备的损坏，对船舶的安全运营造 成威胁。因此，在垃圾的焚烧过程中，排烟温度也是一个必须加以控制的参数。 对于育鲲轮所使用的焚烧炉的具体结构可知，在焚烧过程中，炉膛温度主要通过各燃烧器的断续工作使 其维持在要求的温度范围内，所以控制系统对温度有调节控制作用；炉膛压力的调节主要是通过排烟通道上 的调风门实现，调风门是通过现场手动操作，由于燃烧的过程大多是自动完成，轮机员不会总在现场，所以 实际工作中调风门调定以后便不在改变；对于进气量而言，两个柴油辅助燃烧器上的风门机构可以改变一些， 由于是手动调节，运行中一般也不改变，而鼓风机的流量一定，所以控制系统对进气量没有特别的控制；就 排烟温度而言，该焚烧炉也只是通过排烟过高报警来控制。经过以上分析，该焚烧炉 PLC 主要是对炉膛温度 - 58 http://www.ivypub.org/fes

这个模拟量及一些开关量的控制。

2.3 焚烧炉系统控制流程 首先轮机员合上焚烧炉主电源开关 5Q2，380V 交流电供给整个焚烧炉系统，接着操作人员通过控制屏 23D6 来选择焚烧炉工作模式，选择确定后，控制屏 23D6 将信息送入 PLC。下面以固体垃圾燃烧模式为例介 绍焚烧炉的控制流程。 2.3.1

固体垃圾燃烧模式控制流程

（1）由图 4 流程图可知，操作人员通过控制屏 23D6 来选择固体垃圾焚烧工作模式，选择确定后，控制 屏 23D6 将信息送入 PLC。 主电源按钮 燃烧室温度 低于100℃

选择 垃圾燃烧模式

紧急停炉 检查排除

启动按钮

鼓风机、两柴油泵 和程序计时器运行

是

冷却程序

焚烧炉是否有报警 否

二级燃烧器点火

报警排除

火焰探测器是否探测到火焰

否

点火失败 报警

是

燃烧室预热 是 否

二级燃烧室温度是 否400℃ 是 一级燃烧器 点火

报警排除

否

二级燃烧器 燃烧

火焰探测器是否探测到火焰 是

加料按钮 从外加料门 投入垃圾

一二级燃烧室 温度继续升高

一级燃烧室温 度低于810℃

二级燃烧室温度是否 830-930℃

是

否

一级燃烧器 燃烧

大于930℃

小于830℃

二级燃烧器 熄灭

二级燃烧器 点燃

垃圾正常燃烧 阶段 是

是否再次投入垃圾

否

柴油供给中断

图4 固体垃圾燃烧控制流程图 - 59 http://www.ivypub.org/fes

（2）起动焚烧炉。起动开关 26S9 转到“起动”位置，PLC 接收这个开关量信号，做出逻辑判断，输出 控制信号让控制鼓风机的接触器 34K9 通电，开始预扫风，同时系统计时器工作，焚烧炉运行指示灯 30H3 点亮。 （3）焚烧炉预热。结束系统设定的 30s 预扫风后，PLC 输出控制信号直接作用二级燃烧器电磁阀 31Y7、 31Y8 使其通电，同时打火电极 31T6 得电（打火电极一端接对应的燃烧器电机接线，另一端接对应的燃烧器 电磁阀线圈），二级燃烧器点火燃烧，进行预热。此时若点火失败，火焰探测器 35B9 使继电器 35K5 工作， 将信号送到 PLC，PLC 输出两个信号：一个使控制屏显示报警内容，一个使报警灯 30H4 点亮。待现场报警 消除后，按“ENTER”键复位报警，此时若起动开关还在起动位置，则焚烧炉自动进行以上过程；若开关在停 止位置，则重新起动焚烧炉。 （4）燃烧控制和垃圾燃烧起动。燃烧期间，PLC 通过热电偶 21B5 和 21B7 适时检测一、二级燃烧室内 温度，并通过温度传感器将温度这个模拟量直接送到 PLC 内部，当二级燃烧室温度达到 400C 时，PLC 送 出信号使一级燃烧器电磁阀 33Y4、33Y5 通电，同时相应电极 32T8 得电，一级燃烧器点火燃烧，此时若点 火失败，火焰探测器 35B7 使继电器 35K8 工作，将信号送到 PLC，PLC 输出两个信号：一个使控制屏显示 报警内容，一个使报警灯 30H4 点亮，待工作人员消除报警并按下确认键，PLC 输出信号重新点火。另外在 此后过程中炉膛负压低于 180mm 水柱时，压力开关 25S2 将信号送给 PLC；排烟温度高于 350C 时，热电阻 21B3 将温度通过温度传感器送到 PLC；燃烧空气压力低时，压力开关 24S9 将信号送到 PLC，这三个现象都 使 PLC 同样执行上述报警程序。此时按下加料按钮 25S5/30H5，外加料门锁闭，内加料门开启，使预先放入 外加料门内的垃圾进入燃烧室燃烧。 （5）二级燃烧器的自动起停。当二级燃烧室的温度达到 930℃, PLC 输出控制使二级燃烧器电磁阀 31Y7、 31Y8 断电，供油中断，二级燃烧器将停止燃烧；当温度下降到 830℃以下时，电磁阀得电，二级燃烧器重新 投入燃烧。 （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℃（具体说明书未 提及），PLC 送出信号使一级燃烧器电磁阀 33Y4、33Y5 断电，则一级燃烧器将自动停止燃烧，若温度低于 810℃，则自动点燃。 （7）停止燃烧。起动开关 26S9 转到“停止”位置，一、二级燃烧器电磁阀断电，柴油供给切断，鼓风 机、一、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C 以下时，PLC 输出控制信号使鼓风机的接触器 34K9 断电，一、二级燃烧器电机（污油燃烧器电机和一级燃烧器电机并联）接触器 35K2、31K3 断电，各风机停 止运行，冷却程序结束。30 分钟后切断控制箱上的主电源开关，焚烧炉操作结束。

3 “育鲲”轮焚烧炉炉膛负压调整方法的改进 一般起动焚烧炉后，都要通过水位计来观察炉膛负压大小，如果负压不合适，手动调整调风门使其达到 要求，一般炉膛负压保持在 200mm 水柱左右。

4.1 焚烧炉相关参数耦合关系分析 由焚烧炉的组成结构可知，使外部空气在抽风机的引流作用下，通过炉壁上的开孔进入炉膛和气冷壁。 焚烧炉的鼓风机的抽引风量一定，因此炉膛负压大小主要通过调风门机构来控制，风门挡板处于不同的开度 位置，气体流量不同，从而使炉膛负压不同。正常燃烧后，就不作调整。由焚烧炉的控制系统可知，焚烧炉 焚烧过程的控制主要是控制炉膛温度，而对于其他参数即炉膛压力、进气量和排烟温度的控制仅限于显示和 极限报警，显然对于自动化程度较高的控制系统，这是美中不足的。 - 60 http://www.ivypub.org/fes

在焚烧过程中，炉膛温度、炉膛压力、进气量和废气温度是四个重要的设计及操作参数。进气量由焚烧 炉炉膛壁开孔数量、位置、大小及风门开度决定，炉膛压力由风门挡板的开度决定，进气量和炉膛压力共同 影响炉膛温度和流场混合度，而炉膛温度和风门挡板的调节开度会直接影响废气排放温度。所以这四个参数 不是独立存在的，它们相互影响。 由表1可知，风门挡板的开度决定着炉膛负压、进气量和废气温度的高低，也直接影响炉膛温度的变化。 风门挡板开度减小，进风量减小，但同时炉膛压力也将增大，废气排放温度增大，焚烧炉炉膛温度将增大； 风门挡板开度增大，进风量增大，炉膛压力降低，废气排放温度降低，焚烧炉炉膛温度将降低。 表 1 控制参数的耦合关系 参数变化

炉膛压力

炉膛温度

进气量

废气温度

炉膛压力减小

—

降低

增加

降低

炉膛温度降低

减小

—

增加

降低

进气量减少

增大

升高

—

升高

废气温度降低

减小

降低

增大

—

4.2 焚烧炉炉膛负压控制改进方案的设计 育鲲轮上的焚烧炉的炉膛压力值一般被调定固定不变，然而在实际的操作过程中，由于燃烧垃圾性质或 数量等因素的影响，使这种调节方式精度差，不但容易造成炉膛负压波动，而且大量的能量浪费在风门环节。 所以在焚烧炉运行过程中对风门挡板按一定的压力范围阶段性自动调节是非常必要的，需要随时调整送风量 来保证炉膛中火焰的充满度，从而提高焚烧炉的燃烧效率。 需要将炉压膛力信号作为一个被控量受PLC来控制，PLC结合炉膛温度和炉膛负压两个参数对鼓风机的 送风量和风门开度进行适时的调节。目前对于风机和水泵的流量常采用调速调节，其中以交流电变频技术性 能最好。变频调速技术是目前世界上技术先进、使用成熟、性能可靠的调速方式，它实现了电机转速连续无 级调速，同以往电机调速方式和机械调速方式相比，应用在垃圾焚烧炉中具有以下特点： (1)调速范围商达l～100，对船用焚烧炉和风机来说，其全部转速范围内均可调速。 (2)实现了电机软启动，减少了启动冲击和机械设备的磨损。 (3)设备体积小，安装方面，只需要在电源断路器与电机之间串联变频器装置即可，无需对负载和电机作 任何改动，对于垃圾焚烧炉和风机数量很多的。现场布置和设备的安装更加方便。 (4)调速精度高，操作简单，对于目标（如压力，温度、流量）的闭环控制容易实现，电机的调速随着焚 烧炉和燃烧状况的变化随时调整。利用变频调速控制育鲲轮焚烧炉负压的控制框图如图5所示。

图5 炉膛负压PID调节

图6是炉膛负压控制系统改进的硬件框图，当硬件实物连接和PLC控制程序完成以后，PLC控制程序进行 循环扫描工作，温度传感器探测到的温度和差压传感器探测到的炉膛压力为模拟量，它们通过A/D模块转换 为数字量在PLC内部进行数据处理。PLC通过内部运算后又通过D/A模块将变频器速度大小和电调阀电压大小 数字量转换为模拟量，输出给变频器和电调阀，变频器根据模拟量的大小线性调整鼓风机的送风量，电调阀 根据模拟量的大小线性控制风门的开度，在二者的共同作用下，使炉膛负压控制效果达到最佳。 - 61 http://www.ivypub.org/fes

图6 炉膛负压控制系统硬件框图

4 结论 焚烧炉是非常重要的防污染设备，尤其对于远洋船舶。焚烧炉的正常工作，保证及时处理掉船舶运营中 产生的固体垃圾和污油，对于防止船舶造成污染和应对各港口 PSC 检查意义重大。 本文通过对育鲲轮 ATLAS 200 SL WSP 型焚烧炉工作原理介绍以及结合控制电路和机械部件分析得出了 该焚烧炉完整的 PLC 控制过程，这对以后轮机员理解和操作焚烧炉提供了很大的帮助。在对育鲲焚烧炉控制 系统分析的过程当中，发现了其美中不足的地方，即炉膛负压控制的缺陷，之后就这一缺陷提出了一种改进 方案。经验表明，一个成熟的控制系统，往往需要多人多年的开发和知识积累，本论文所设计的改进方案只 是作者在这一课题的浅陋探讨，加之时间紧迫，水平有限，论文中尚有很多不成熟的见解和分析，同时也存 在着很多缺陷，望大家点评和指正。

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【作者简介】 王卓天，男，汉族，硕士研究生，研究方向：轮机自动化，学习经历：本科-大连海事大学轮机工程学院； 硕士-大连海事大学轮机工程学院。Email: 446108432@qq.com

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