《轮机自动化》数字化教材项目二任务六

1、项目二 船舶机舱辅助控制系统【项目描述】船舶机舱辅助控制系统是保证船舶正常航行的重要部分，用于保证实现机舱各系统远距离操纵与集中控制，以改善工作条件、提高工作效率。通过本项目的学习，学生具体应达到以下要求：一、知识要求1. 冷却水温度控制系统的组成及工作原理；冷却水温度控制系统的操作与管理2. 燃油供油单元自动控制系统的组成及工作原理，测黏计工作原理，燃油黏度控制系统；燃油供油单元的操作与管理3. 燃油净油单元自动控制系统的组成及工作原理，EPC-50分油机控制系统；净油单元控制系统的操作与管理4. 空气反冲洗式自清滤器的组成及工作原理；自清洗滤器控制系统的操作与管理5. 阀门遥控系统、液舱遥

2、测系统的组成及工作原理；阀门遥控及液舱遥测系统的操作与管理6. 燃油锅炉自动控制的主要任务；锅炉水位控制，蒸汽压力控制，燃烧时序控制，锅炉的安全保护二、能力要求掌握机舱辅助控制系统的调试及故障排查方法。1. 掌握冷却水温度控制系统的操作与故障诊断方法，能够对不同故障现象进行分析、处理。2. 能够对燃油供油单元自动控制系统进行操作与管理，能够正确地使用测黏计。3. 能够对EPC-50分油机控制系统的典型故障进行分析。4. 能够对空气反冲洗式自清滤器进行维护保养。5. 能够对阀门遥控及液舱遥测系统进行操作和管理。6. 能够对辅锅炉自动控制系统的典型故障进行分析。三、素质要求1具有团队意识和协作精神

3、。2. 自主学习，主动建构自己的经验和知识3. 结合案例进行分析，理论联系实际【项目实施】任务六 船舶蒸汽锅炉的自动控制一、学习目标1. 掌握船舶蒸汽锅炉的水位控制原理及管理2. 掌握船舶蒸汽锅炉的蒸汽压力控制原理及管理3. 熟悉辅锅炉燃烧时序控制系统的功能及常用元部件4. 熟悉辅锅炉的各种安全保护功能二、学习任务熟悉船舶蒸汽锅炉自动控制的基本内容，即锅炉水位的自动控制、锅炉蒸汽压力的自动控制、锅炉的燃烧时序控制和船舶蒸汽锅炉的安全保护。三、背景知识船舶辅锅炉是船舶动力装置的重要组成部分。在柴油机提供推进动力的船舶上，辅锅炉产生的蒸汽主要用于加热燃油、滑油、水以及提供各种生活用汽。为了提高机舱

4、的自动化程度，辅锅炉的全自动控制是不可缺少的。对于小型辅锅炉而言，由于产生的蒸汽主要用于主机暖缸、加热燃油以及日用生活，故对水位和蒸汽压力的稳定性要求不高，一般采用双位控制或比例调节，允许蒸汽压力在设定范围内波动，实现有差调节。而对于大容量的油轮辅锅炉，因为加热货油、驱动货油泵、蒸汽辅机以及洗舱的需要，常采用比例积分控制，使水位和蒸汽压力基本稳定在设定值，实现无差调节。船用辅锅炉通常实现燃烧时序自动控制，并具有完善的安全保护功能。随着微机技术的发展，可编程序控制器（PLC）在船用锅炉燃烧时序控制、监测报警及安全保护领域得到了越来越多的应用。一、船舶蒸汽锅炉自动控制的基本内容1、锅炉的基本常识锅

5、炉是利用燃料或其它能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉包括“锅”和“炉”两大部分，“锅”的原义是指在火上加热的盛水容器，“炉”是指燃烧燃料的场所。船用锅炉一般分主锅炉和辅锅炉。主锅炉主要产生高温高压过热蒸汽驱动蒸汽主机，推动船舶前进或驱动蒸汽辅机；其特点是蒸发量大、蒸汽压力高，对水位以及蒸汽压力的控制要求较高。在内燃机船舶动力装置中所采用的锅炉一般称为辅锅炉，常用来加热水之类的以满足日常生活的需要，有的也用来加热货油、驱动蒸汽辅机；其蒸发量和蒸汽压力相对主锅炉来说要小，控制要求不如主锅炉的要求严格。采用燃油进行加热的叫做燃油辅锅炉，以主机排出烟气中的余热进行加热的辅锅炉称为废气锅

6、炉。2、船舶辅锅炉电气自动控制系统的主要环节 无论船上辅锅炉的类型和结构如何，其自动控制环节大都是相似的。主要包括水位自动控制、燃烧自动控制、锅炉点火及燃烧时序控制、警报与自动保护环节，在大型油轮上还设有炉膛负压控制和过热蒸汽温度控制等。图2-6-1是船舶辅锅炉电气自动控制系统框图。 所谓锅炉的自动调节，控制系统能自动控制给水和燃烧，使锅炉水位和蒸汽压力保持在给定值或给定范围内，一般船舶辅锅炉对蒸汽压力的控制要求不十分严格，水位和燃烧大多采用双位控制系统，而油船上的辅锅炉水位及燃烧一般都采用比例积分控制系统。1）水位自动调节锅炉水位自动控制的主要任务是使给水量适应锅炉的蒸发量和维持水位在允许的

7、范围之内，所以被调量为汽包水位，水位过高会影响汽水分离，提高蒸汽湿度；水位过低则可能使锅炉受热面烧坏。给水被调区域的输入量为给水量，输出为蒸汽量；影响水位的主要因素有锅炉负荷、给水量和炉膛负荷三个，尤其前两者更为重要。在油轮上，辅锅炉的蒸发量一般很大，汽压较高，它要求水位稳定在给定值上，所以控制给水一般通过改变调节阀的开度来实现，即根据水位的偏差信号来控制给水调节阀的开度，从而使给水量适合蒸汽流量的变化。2）燃烧自动控制燃烧过程自动调节的主要任务是使出口蒸汽压力维持在设定值或在规定的允许范围之内。在外界蒸汽用量变化而引起出口蒸汽压力发生波动时，必须相应的改变供给锅炉的燃油量，重新建立起新的能量

8、平衡，以尽快而完善地恢复和稳定压力。其次是为了保证燃烧过程经济性和完全燃烧，必须使供风量与供油量相适应，以维持适宜的过量空气系数。所以，风与油的配比调节是燃烧过程自动调节的第二任务。燃烧系统自动调节的第三任务，是使引风量与送风量相适应，维持炉膛压力不变。当负压操作时，如接近正压则炉膛容易向外喷出火苗，既危及设备与操作人员的安全，又影响环境卫生。如负压过小，炉膛漏风量增大，会增加引风机的电耗，同时烟气带走的热量损失也会增加。因此，需要维持炉膛压力在一定的范围之内。锅炉51 中央控制单元风油调节单元油泵234图2-6-1 船舶辅锅炉自动控制系统框图1蒸汽压力传感器；2供油电磁阀；3点火变压器；4火

9、焰传感器；5锅炉水位传感器3）燃烧时序控制锅炉燃烧时序控制是指，给锅炉一个启动信号后，能按预定的时序先后自动进行预扫风、预点火喷油点火，点火成功以后对锅炉进行预热，接着转入正常的负荷控制阶段，同时对锅炉的运行进行一系列的安全保护。钢质海船入级与建造规范（2009）对船舶锅炉的时序自动控制有如下要求：（1）点火之前应保持最大风门进行预扫风，扫风时间应足以保证炉膛4次换气要求；（2）点火应该在预扫风后进行，喷油器进油阀应该在点火电极打出火花之后打开使喷油器往炉膛喷油，如点不着火，点火装置和喷油器进油阀应能自动关闭，进油阀从开启到关闭的时间不得大于15s；（3）应设有火焰感受器，当故障熄火时能自动关

10、闭喷油器的进油阀，关闭时间应不迟于熄火后6s。4）安全保护系统与自动连锁当锅炉出现异常状态影响安全运行时，比如水位低至危险水位、油压过低、风压过低（有的锅炉包括油温过低）以及运行时突然熄火或点火失败，系统应能完成自动熄火停炉，同时发出声光报警。自动连锁装置时当设备发生误操作或故障时，自动阻止操作继续进行，避免事故发生。如风机停止工作时，燃烧器就会立即停止喷油。锅炉自动控制系统中通常都有以下的安全保护：（1）汽压过高保护当锅炉汽压升高到高压保护压力时，高压保护器动作，使油泵停止工作切断喷油，风机完成后扫风后停止运行，自动停炉并发送声光报警。（2）危险低水位保护当水位控制系统发生故障或其它故障促使

11、给水不能正常进行，此时若水位降低到低水位后仍不能正常给水，并且继续下降到危险低水位时，危险低水位保护器动作，切断燃油电磁阀，燃油泵和风机的电源，自动停炉同时发送声光报警。（3）炉膛熄火保护该保护主要是指锅炉运行时，突然中途熄火，此时应立即断油断风，停止燃烧的安全保护。这一保护通常是通过火焰感受器来实现的。二、锅炉水位的自动控制在蒸汽动力装置中的主锅炉对水位和蒸汽压力的变化要求比较严格，水位和蒸汽 压力不允许有较大的波动，一般采用带有积分作用调节器所组成的定值控制系统。在油轮上，需要辅锅炉所产生的蒸汽来加热货油，驱动甲板机械，其蒸发量和蒸汽压力较大，其工作特点接近主锅炉。在普通货轮上的辅锅炉所产

12、生的蒸汽仅用于加热柴油机所需用的燃油、滑油以及服务船员生活，它的蒸发量小（一般小于 5t/h），蒸汽压力也比较低（一般低于1.0MPa) ，对于水位和蒸汽压力的波动要求不太严格，其水位控制常常采用双位控制。（一）柴油机货船辅锅炉水位的电极式双位控制船用锅炉水位的双位控制多采用浮子式或电极式作其检测元件来实现的。二者原理都比较简单。以下介绍电极式水位双位控制系统，其工作原理图如图2-6-2所示。锅炉本体上设有一个电极室，里边装有三个导电的电极棒，分别用1、2、3表示。1和2分别用来控制锅炉允许的上、下限水位，3用于超低水位的报警。变压器BT副边绕组输出电压经过整流条1Z和2Z整流成直流，分别作为

13、继电器3JY和4JY的电源。电极室里的水位和锅炉中的水位是保持一致的。在锅炉运行期间，一旦水位下降到允许的下限水位的时候，电极室中的1、2号电极棒将露出水面，从而切断了1Z的交流回路，3JY失电，对应的常闭触头3JY1闭合，使接触器1CJ得电，其对应的常开触头1CJ1-1CJ3闭合，启动电机使水泵向锅炉供水，锅炉中的水位将逐渐上升。继电器3JY失电状态下对图2-6-2 锅炉水位的电极式双位控制系统应的常开触头3JY2断开，所以此时即使水位上升超过了电极2，1Z也没形成交流通路，电机继续工作，带动水泵往锅炉里供水。一旦水位继续上升使电极1也浸入水中的时候，整流条1Z通过电集1、3形成交流回路，继

14、电器3JY得电，对应的触头动作（3JY2闭合，3JY1断开1CJ失电1CJ1-1CJ3断开），电机断电，水泵停止供水。在3JY2闭合以后，整流条1Z既可以通过电集1、3形成交流回路又可以通过电极2、3形成交流回路。所以当水位从最高水位逐渐下降而使电极1露出水面、电极2还浸在水中时，继电器3JY是不会断电的，水泵不会向锅炉中供水的。只有当电极2完全露出水面即水位下降到允许的下限水位时，继电器3JY才会动作使水泵供水。显然，调节1、2两个电极的位置可以调节锅炉水位的上下限。当水位下降使电极2完全露出水面而此时水泵故障又不能向锅炉供水时，水位会继续下降。一旦水位下降到超低水位时电极3也露出水面，此时

15、2Z整流器的交流通路将被切断，继电器4JY失电，发出相应的声光报警并自动停炉。（二）大型油轮辅锅炉水位控制系统1. 锅炉水位控制的特点锅炉在工作期间，炉水中含有汽泡，汽泡不断在受热面上形成，脱离受热面进入到锅炉的蒸汽空间。水面下的蒸汽总量与锅炉的蒸发量以及蒸汽压力都有关，蒸汽压力越小蒸发量越大，其水面下的蒸汽总容积就越大。锅炉在过渡工况时，当锅炉负荷剧烈变化时，水位变化有一个明显的过渡过程。一旦蒸汽的消耗量突然增加，但是炉膛中的燃烧状态还未来得及随之变化时，炉内的蒸汽压力下降，蒸汽的饱和温度也随之降低，使炉水大量放出热量来进行蒸发。于是炉水内的汽泡增加，汽水混合物体积膨胀，促使水位很快上升，形

16、成虚假的上升。当蒸汽的消耗量突然减小使炉内的蒸汽压力突升时，则相应的饱和温度提高一部分热量被用于加热炉水，而用来蒸发炉水的热量则减少，炉水中汽泡量减少，使汽水混合物的体积收缩，形成虚假下降。当锅炉内热负荷增加或骤减时，水的比容将增大或减小，也会形成虚假水位。锅炉负荷突变、灭火、安全门动作、燃烧不稳时，都会产生虚假水位。大型油轮辅锅炉的水位要求比较严格，不允许有大的波动，一般采用带有积分作用调节器所组成的定值控制系统。2. 油轮辅锅炉水位的双冲量控制所谓“冲量”是指调节器接受的被调量的信号，相当于变量（Variable）的意思。只根据锅炉的水位变化来控制给水阀开度的方式称为单冲量控制。但是，对于

17、负荷变化大、蒸汽压力比较高而炉水容积相对较小的油轮辅锅炉来说，采用双冲量的水位控制方式对虚假水位的克服能获得良好的效果。双冲量水位控制的工作原理如图2-6-3所示。图中的3与4分别代表水位调节器输出信号IC与蒸汽流量变送器的输出ID，5表示初始偏置值I0。3、4这两个冲量信号送给调节器6，输出信号I去开大或者关小给水阀7。其中调节器6的输出信号 ，C1、C2分别表示对应的系数。蒸汽流量变化信号4作为前馈信号，它与扰动的大小成比例，其控制作用几乎跟扰动同时发生，从而可以改善控制的质量。在该系统中，一旦蒸汽量变化，就会给调节器6送去一个信号是给水阀7的开度和蒸汽流量同方向变化，从而减弱或者抵消因为

18、虚假水位而使给水阀7的误动作，使给水阀7从一开始就往正确的方向变化。图2-6-3 锅炉水位的双冲量控制原理图蒸汽给水LCI6712345除了采用双冲量的控制，有的船用锅炉采用三冲量的给水控制方式。三冲量给水调节系统就是在双冲量的基础上引入了给水流量信号，由水位、蒸汽流量和给水流量组成了三冲量液位控制系统。船用辅锅炉大多数都采用单冲量或双冲量的水位控制系统。3. 油轮辅锅炉水位的双回路控制船用锅炉的控制给水量是通过改变给水阀的开度大小来实现的。油轮的锅炉给水系统一般是经过汽轮机给水泵把水从热水井抽出来，然后通过给水阀往炉内供水的。给水阀的流量G跟阀的流通面积F以及阀前后的压差p的1/2次方成正比

19、。只有在保证p不变的情况下，其流量G与流通面积F成线性关系。对汽轮机给水泵来说，若蒸汽调节阀的开度维持不变的话，泵的排量也基本保持不变，无论给水阀的开度是开大还是关小，流进炉内的给水量是基本上维持恒定不变的。所以只图2-6-4 锅炉水位的双回路控制原理图7蒸汽蒸汽给水LC6123458910靠改变给水阀的开度大小很难达到控制给水量的目的。因此通常在双冲量控制给水阀开度大小的回路上，增设另一回路来维持给水阀的前后压差p保持恒定不变，原理图如图2-6-4所示。图中的8、9、10分别为差压变送器、蒸汽调节阀、透平给水泵机组，它们组成的这一路就是用来维持给水阀5前后压差保持不变的。如果某时刻锅炉水位低

20、于给定值时，水位调节器 6 将输出一个使给水阀7开度增大的控制信号。 给水阀7开大的同时阀前后压差将减小，给水差压调节器8便会输出一个控制信号开大蒸汽调节阀9，从而提高汽轮机给水泵转速，维持给水阀前后压差保持恒定。4. 油轮辅锅炉水位自动控制系统实例很多大型油轮辅锅炉的给水控制是采用双冲量水位控制的方式来实现的。下面将以某油轮辅锅炉的双冲量水位自动控制系统为例，来阐述该系统的组成及工作原理。图2-6-5为该控制系统的原理图。该系统主要由水位调节器、气动计算器、水位差压变送器、蒸汽流量变送器以及给水调节阀组成。该系统的工作原理相当于双冲量和双回路的一个组合。图2-6-5 某油轮锅炉水位自动控制系

21、统原理图气源1234678910A11气源气源气源气源蒸汽B5给水在图2-6-5中，炉水的水位变化量和蒸汽流量的变化量分别由两个气动差压变送器变送器2和3来测量。炉水中水位变化是这样来检测的。图中的1是锅炉的参考水罐，参考水罐的水位相当于一个设定值送给气动差压变送器2，而锅炉中实际的水位也就是炉水的实际值也会送给同一个气动差压变送器2。气动差压变送器2的输入量，一个是来自参考水罐的水位的设定值（也叫参考值），另一个是来自锅炉实际水位的实际值（也叫测量值），两个值在此进行比较后形成标准的气压信号。也就是说气动差压变送器2输出的信号反映的是炉水的变化量，这个信号通过一个截止阀和气容11后送给气动水

22、位调节器4。水位调节器4送来的信号经过比例积分反作用处理之后经过信号通道A送到气动计算器5。锅炉中蒸汽流量变化的测量跟水位变化的测量相似。其蒸汽流量的变化量通过气动差压变送器3之后，然后经过B信号通道，送到气动计算器5。其输出信号来控制给水调节阀6的开度。气动计算器5具有如下的功能：其中，p为气动计算器5的输出信号；A表示锅炉水位调节器4的输出信号；B表示蒸汽流量变送器3的输出信号；k为系统常数，k取值为2；C为仪表制造常数，本仪表为50%（0.06Mpa）。为什么C值取值为50%（0.06Mpa）呢？在额定状态时，锅炉的蒸发量基本上是恒定的，此时的给水阀、调节阀的执行机构以及调节器都应该在中

23、间的位置，否则负荷变化时调节困难。所以这里的C值取50%，也就是标准气压信号0.020.1MPa的50%，即0.06Mpa。图中的7表示的是一个给水差压变送器，8表示的一个给水调节器。这里的工作原理请参阅前面的双回路给水控制方式。图中的气容11及其邻近气阻构成一个RC惯性环节起延时作用，克服和减少因船舶的摇晃对锅炉水位测量信号引起的干扰。5. 船舶辅锅炉水位控制系统的操作与管理1）点火前的检查（1）查阅运行和（或）交接班记录。（2）巡视、检查锅炉内、外部是否有异常。（3）检查主要安全附件。安全阀、水位表、压力表要严密、可靠、灵敏。（4）检查水处理设备。（5）检查给水设备和汽水系统的管道。各阀门

24、按启动的要求调整。（6）检查供油设备。上述检查工作合格之后，即可启动锅炉。2）启动锅炉（1）观察水位表内的水位，若水位有上升或下降的现象，应检查给水阀和排污阀的开、关位置是否正确或泄漏。（2）冲洗水位表，顺序为：打开汽水旋塞，冲洗汽水连管；关闭水旋塞，冲洗汽连管；打开水旋塞，冲洗汽水连管； 关闭汽旋塞，冲洗水连管； 打开汽旋塞，冲洗汽水连管； 闭汽水旋塞，使水位恢复正常。如果水位迅速上升，并有轻微波动，表明水位正常；如果水位上升很缓慢，表明水位表有堵塞现象，应重新冲洗和检查。（3）检查受压部件各连接处有无渗漏现象，对松动过的螺丝再拧紧一次。（4）排污，以均衡各部分炉水温度。排污前先进水至高水位

25、，排污时注意观察排污管道周围情况，并随时观察水位，排污后关严排污阀，并检查有无漏水现象。（5）暖管操作。使蒸汽管道、阀门、法兰等都受到均匀缓慢的加热并放去管内的凝结水，以防止管道内产生水击而发生渗漏等。暖管时间约半小时左右。（6）锅炉正常运行时，应随时调节汽压、水位、油位，以及进行排污。排除炉水表面悬浮泡沫。降低炉水含盐和含碱量，防止发生汽水共腾；排出积聚在锅筒和下集箱底部的泥渣和污垢。3）停炉（1）正常停炉。完全停炉前，水位应保持高水位，防止冷却时水位下降造成缺水。（2）紧急停炉。当锅炉发生事故时，为了阻止事故扩大而采取的紧急处理措施。当锅炉在运行中，遇有下列情况之一时，应立即停炉：1）水位

26、低于水位表下部可见边缘，不断加大给水及采取其它措施，水位仍继续下降；2）水位超过最高可见水位（满水），经放水仍不能见到水位；3）给水泵全部失效或给水系统故障，不能向锅炉供水；4）水位表或安全阀全部失效；5）锅炉元件损坏，危及运行人员安全；6）其它危及锅炉安全运行的异常情况。三、锅炉蒸汽压力的自动控制影响锅炉蒸汽压力最重要的因素之一是炉膛的燃烧情况。锅炉蒸汽压力控制系统就是通过改变送给炉膛的喷油量和送风量来实现对锅炉燃烧强度的控制。1、柴油机货船辅锅炉的蒸汽压力控制对于柴油机货船辅锅炉蒸汽压力控制系统的要求简单可靠即可。所以大多数的货船辅锅炉蒸汽压力控制系统采用的是双位控制，少数采用比例控制，能

27、最终满足锅炉在不同负荷工况下送风量基本上适应喷油量的要求。因为系统中的被控量是蒸汽的压力，所以首先要有合适的蒸汽压力调节器。它能在锅炉不同负荷工况下接受汽压的偏差信号并送出控制信号，驱动伺服器来控制送入炉膛的喷油量和送风量，从而实现炉膛内燃烧强度的改变保证汽压恒定。 0.10.10.02FopB (MPa)图2-6-6 喷油量与风压关系图为了保证喷入炉膛内的燃油能得到充分燃烧，所以在喷油量变化的同时必须相应的改变进入炉膛的送风量。可以预先查得不同喷油量应在多大的风压下才能完全燃烧，以此可以设置空气压力或者空气流量调节器，严格地根据喷油量的变化来控制进入炉膛的空气量，使在每一个不同的喷油量下送入

28、相应的空气量使之完全燃烧。空气流量调节器地给定值应根据不同的喷油量、按预先规定好的喷油量和空气量的配比关系来变化。图2-6-6示出了喷油量（完全燃烧）和空气压力之间的关系曲线，横坐标Fo为喷油量，纵坐标pB表示在每一个喷油量下所需要的空气压力。如果空气流量调节器采用比例调节方式，每一个喷油量对应的实际所需供气压力如图中的虚线所示，图中的实线为理论值。实线和虚线之间的距离便是调节器的静态偏差。燃烧能否完全燃烧除了取决于空气量之外，还跟燃油的雾化质量有关。燃油的温度和压力是决定燃油雾化良好与否的两个重要因素。1. 燃烧的双位控制燃烧的双位控制与水位的双位控制相似，锅炉蒸汽压力不能稳定在某一固定值上

29、，而是允许的范围内上下波动。简单的方法就是装上一个压力开关，当压力上升到允许的上限值时压力开关断开切断油泵和风机的工作，停止供油和送风。在汽压下降到允许的下限值时压力检测开关闭合自动启动油泵和风机。这种方式由于锅炉启动频繁，所以很少采用。燃烧双位控制的另外一种方案是在蒸汽管路上设置两个压力检测开关，它们的动作设定值不同。当锅炉的蒸汽压力下降到允许的下限值时两个开关都闭合，控制系统启动风门电机使风门开到最大，同时使喷油器的喷油量达到最大（这是采用一个油头的工作情况，对采用两个油头的锅炉是使两个油头同时喷油），即对锅炉进行所谓的“高火燃烧”。当蒸汽压力上升到允许值的上限值时，控制系统使其中一个压力

30、检测开关关闭并启动风门电机自动关小风门，同时使喷油器的喷油量达最小（或者只让一个油头工作喷油），即锅炉进行所谓的“低火燃烧”。当锅炉的负荷不断的变化时，蒸汽压力将会在允许的上、下限之间波动。小负荷时，在“低火燃烧”状态下，蒸汽压力会继续上升，当蒸汽压力升高到高压保护压力时，两个压力开关断开，自动停了并发出声光报警。当蒸汽压力下降到允许的下限值时，系统使两个开关闭合，但需按下复位按钮方能重新启动锅炉。2. 蒸汽压力的比例控制图2-6-7 蒸汽压力比例控制系统工作原理图有些辅锅炉的燃烧控制采用压力比例调节器和电动比例操作器组成的比例控制系统，如图2-6-7所示。其中（a）图是压力比例调节器的结构原

31、理图，汽压的变化会使划针2沿着电位器滑动，改变电阻R1和R2的比值，于是A点的电位就与汽压信号成比例。扭动调整螺钉6，改变弹簧5的预紧力可调整汽压的给定值。(b)图是电动比例操作器的原理框图。当辅锅炉的燃烧强度适应负荷要求时，汽压稳定在某一值上，(a)图中划针2位置不变，由风门电机带动的反馈划针的位置也不变，这时(b) 图中R1·R4R2·R3，电桥1平衡。当汽压升高时，划针左移，R1减小、R2增大，破坏了电桥的平衡，使电桥输出一个上负下正的不平衡电压信号U1，经放大器放大后触发反转可控硅开关使其导通，电机M反转，关小风门开大回油阀以减小锅炉的燃烧强度使汽压降低。与此同时电

32、机M同轴带动反馈凸轮5转动，并推动反馈划针向左移动使R3减小、R4增大。当反馈划针移到使R1·R4R2·R3时，电桥又处于平衡。这时U1=0，电机M停转，锅炉的蒸汽压力达到新的平衡状态。当汽压降低时(负荷增大)，划针右移，电桥输出的不平衡电压信号U入的极性是上正下负，经放大后触发正转可控硅开关3导通，电机M正转，开大风门关小回油阀使锅炉汽压上升。同时反馈划针向右移动，直到R1·R4R2·R3，控制系统又达到新的平衡。3、大型油轮辅锅炉蒸汽压力控制系统1）系统的组成及工作原理燃烧自动控制系统根据炉内蒸汽压力的高低自动地改变送入炉膛的喷油量和送风量，维持炉内

33、蒸汽压力恒定或在允许的上下限波动。大型油轮辅锅炉的蒸汽压力高，蒸发量比较大，一般都要求汽压稳定，故通常采用定值控制方案。锅炉的蒸汽压力控制系统是以蒸汽压力为被控量的，要求锅炉在不同的负荷工况下汽压均能稳定在给定值上，其系统控制原理框图如图2-6-8所示。图2-6-8 油轮辅锅炉燃烧控制系统框图PI调节器燃油调节阀锅炉扰动汽压变送器函数发生器油量变送器差压变送器微分部分高压选择器PI调节器风门调节机构锅炉扰动汽压给定值炉内与风道之间的压差由图可见，该控制系统是由两个控制回路构成的。第一个控制回路是以蒸汽压力的偏差信号经过PI调节器来控制燃油阀的开度的，也就是改变送入炉膛的喷油量。改变喷油量的同时

34、也应相应地改变送入炉膛的空气量。为了保证喷入的燃油能够在炉膛内完全燃烧并得到较高的经济性，每一个喷油量应该有一个最佳的送风量（或者最佳的空气压力，空气量可以以风道和炉膛内的压力差值来表示）相匹配。即每一个喷油量都应有一个相应的最佳油风比（或者风油比），其关系近似于图2-6-6所示曲线。第二个控制回路是根据喷油量对空气量来进行控制。该回路中空气压力的给定值是随喷油量的大小变化而变化的。燃油调节阀输出信号表示喷油量的大小，经过油量变送器转换成气压信号再送给函数发生器。函数发生器输出和油量大小近似成平方关系的气压信号（如图2-6-6所示曲线的关系），代表的是该喷油量下的最佳空气量。该信号与另一路微分

35、控制阀的微分部分输出信号相叠加后送给高压选择器。当锅炉的负荷从某一稳定状态突然变化增加时，燃油调节阀的输入信号随之突增，此时微分阀的微分部分也输出一个较大的输出信号，与函数发生器的输出信号相叠加后送入高压选择器，由于函数发生器有一阶延迟特点，此时的输出变化量还没来得及变化，输出信号暂时还比较小。这两个信号经过高压选择器之后，高压选择器将以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中有一个突然增加的设定空气量信号。由此可见，从微分阀的微分部分出来的信号变化先于来自函数发生器的输出变化量，使得在锅炉负荷增大时过量的空气优先于喷油量增加而进入炉膛内，从而维持了稳定而充分的燃烧。当锅炉的负荷

36、突然减小时，送给燃油调节器的信号也会随之突然减小，此时高压选择器选用来自函数发生器的信号作为输出送往下一级的调节器。函数发生器的延迟效应（函数发生器的输出送往高压选择器的信号落后于燃油调节阀的输出信号）会使炉膛内的空气处于过剩状态。简而言之，锅炉负荷增加的时候，增加喷油量，其送风量也应相应增加，并应提前于喷油量。在负荷减小时，减小喷油量，其送风量也应相应地减小，滞后于喷油量。2）系统中的重要元件（1）微分控制阀该阀是一个放大倍数K=1且不可调的比例微分阀，结构原理如图2-6-9所示。图中的A、B、C、D、E分别表示五个气室，1、2、3分别表示三个膜片。膜片1和膜片3的有效面积相等都为F（F1=

37、 F3=F），膜片2的有效面积F2比膜片1、2的面积F要大得多。这三个膜片在结构上被连在一起的。送入气室A的信号Pi来自于函数发生器的输出；P3是主调节器的输出，也就是燃油调节阀前的信号，一路送往气室B，另一路经过微分阀Rd送往气室C；0.14MPa的气源Pa，一路经过恒节流孔送入气室E，再经过喷嘴4到气室D，另一路直接送往放大器5作为放大器的工作气源。当炉膛内的燃烧强度正好满足锅炉的负荷需求时，即锅炉燃烧处于稳定状态时，信号P3、Pi及输出Po都是稳定不变的，此时三个膜片组成的膜片组整体上受到向下的作用力和受到向上的作用力大小相等，方向相反，维持平衡状态。其平衡方程可以表示为：且F1= F3

38、=F，所以Po=Pi。假设锅炉的负荷现在突然增大，其蒸汽压力降立即下降，此时主调节器的输出信号P3将迅速增大，但是微分阀Rd有节流作用，气室C中压力的变化将会有一个延时，其压力的变化落后于气室B的变化，由于F2>> F1，故此时有P3 F2>> P3 F1，此时膜片组图2-6-9 微分控制阀结构原理图 Pi P3 Pa Po A B C DE123456 Rd7的受力平衡被破坏，且向下移动。膜片组向下移动时带动了挡板7大大靠近了喷嘴4，使得输出Po大大增加，从而使得风门提前有一个较大的开度。在Po增大的同时，气室D中对膜片3的力Po F3也增大，阻止了膜片组的继续下移。

39、一旦Po增大到使膜片组向上的作用力和向下的作用力相等时，膜片组将会处于一个新的平衡状态，不过这个新的平衡状态是暂时的。P3会经过节流阀Rd会使得气室C中的压力逐渐上升，因F2>> F3，膜片组向上的力将逐渐增大，破坏了膜片组刚才的暂时平衡状态，使挡板7逐渐上移，挡板和喷嘴间的距离逐渐增大，Po逐渐减小，这就是微分输出的消失过程。当气室C中的压力上升到和气室B中的压力相等时，膜片组恢复到原初始的平衡状态。但是，主调节器输出P3增大的同时将会去开大燃油调节阀的开度，使函数发生器的输出增大，即送到气室A中的Pi增大，膜片组下移，Po增大。一旦Po=Pi时，膜片组达到新的平衡。由此可见，微

40、分阀的输出Po对于函数发生器的输出信号（即送入气室A中的信号Pi）是K=1的比例控制。（2） 函数发生器函数发生器的作用就是使喷油量与送风量满足如图2-6-6所示的曲线关系（近似的平方关系），其结构之一如图2-6-10所示。送入波纹管1的气压信号P入代表的是喷油量实际值，如果喷油量增大，其挡板和喷嘴靠近，喷嘴的被压上升，使得放大器3的输出信号P出增大，通过风门调节器增大送风量。这个增大的输出信号P出同时送入反馈气室，压缩反馈波纹管4使反馈杆6向上移动，同时带动反馈凸轮5顺时针旋转，从而使调零弹簧6阻止挡板和喷嘴继续靠近。函数发生器的输出P出和输入P入间的函数关系是通过反馈凸轮5的外形轮廓来实现

41、的，即P入在不同取值时其反馈强度不同。图2-6-10 函数发生器结构原理图四、燃烧时序控制什么是锅炉的燃烧时序控制呢？就是当我们需要启动锅炉的时候，控制系统接收到启动信号时，将会按相应时间顺序对锅炉进行预扫风、预点火、喷油点火，点火成功之后进行预热，然后转入正常燃烧，同时还对锅炉的运行过程进行一系列的安全保护。船舶辅锅炉燃烧时序控制框图如图2-6-11所示。当电源总开关合闸后，控制电路电源被接通，控制系统自动检测炉内水位，若低于危险水位，锅炉不能自动启动并发出报警；若水位正常则风机启动，此时的风门将开到最大，以大风量对炉膛内预扫风，扫走炉膛内的油气以防止点火时发生“冷爆”。风机运转的同时，轻油

42、泵和重油泵均启动，但是此时轻油电磁阀和重油电磁阀都处于关闭状态。预扫风的时间由锅炉的结构形式而定，一般是2060s。预扫风结束之后进行预点火，为了保证点火的成功，系统自动关小风门，在轻油电磁阀关闭的情况下让点火变压器通电，点火电极打出火花进行预点火，时间大约为3s。3s后打开轻油电磁阀进行喷油和点火。点火后6s内，如果火焰探测器没有检测到火焰信号则表明点火失败，则自动停炉。如果点火成功，则打开重油电磁阀，开始重油燃烧，同时关闭点火轻油电磁阀，点火油头和点火变压器停止工作。为了使锅炉的燃烧时序控制的得到实现，还应使用其它一些必要的元件。（1） 信号发送器 信号发送器主要用来发送各种控制信号，包括

43、手动信号发送器和自动信号发送器，前者常指按钮和选择开关，后者采用各种自动继电器（俗称开关），如压力继电器、温度继电器、液位继电器等。用它们来进行接通或断开控制电路，以完成程序控制的启动和停止。图2-6-11 船舶辅锅炉点火控制系统图启动水位正常与否补水启动油泵点火变压器通电电极点火重油电磁阀得电YYNN轻油电磁阀关闭点火变压器断电重油电磁阀关闭声光报警停油泵停风机恢复到启动状态声光报警启动风机开大风门点火成功与否点火变压器断电关小风门轻柴油电磁阀得电开大风门正常燃烧60s预扫风（2）时序控制器时序控制器是辅助锅炉燃烧时序控制的核心部分。它根据启动信号发送器送来的电信号接通或切断电路，或根据规定

44、的时间来接通或断开电路，用以实现预扫风、预点火、点火及转入正常燃烧等一系列的时序动作。目前时序控制器主要包括有触点控制器、无触点控制器、可编程序控制器和微型计算机控制器等。在有触点时序控制器中，船上用的较多主要有多回路时间继电器和凸轮式时间继电器两种，它们的工作原理类似。图2-6-12是多回路时间继电器的结构简图。图2-6-12 多回路时间继电器的结构简图1微型同步电机；2电磁线圈离合器；3减速器；4标度盘；5复位弹簧；6爪形块；7电触点多回路时间继电器实际上是一种程序控制装置，根据预先整定的延时和时间间隔，对外电路进行控制和操作。根据燃烧时序中的各个延时和时间间隔对多回路时间继电器进行整定，

45、当达到不同的时刻对应的触点闭合或断开完成所对应的动作。KCRbJDE(a) 单管延时释放电路 KCRRbJDE(b) 继电器延时通电电路 图2-6-13 晶体管延时开关电路无触点时序控制器是利用晶体管的开关特性，使晶体管工作在饱和或截止状态，从而控制继电器的通断。延时作用是根据电容的充放电原理组成的RC延时环节来实现的，其工作原理如图2-6-13所示。图2-6-13（a）为单管延时释放电路。闭合开关K便使电容被旁路，晶体管立即导通，继电器J得电动作。断开开关K电源E给电容充电，在一段时间内晶体管基极的电流较大，晶体管保持导通使继电器保持通电。随着电容C两极板电压的不断升高，其充电电流则不断降低

46、最终会导致晶体管截止，从而实现了继电器J延时断电释放。图2-6-13（b）为继电器延时通电电路。在开关K闭合时，电容C被旁路，晶体管截止。开关K断开时，电容被电源充电，起初的充电电流比较大，晶体管的基极电流非常小近似为零。当电容C两极板电压的不断升高，则流经Rb到晶体管基极的电流不断增大，从而实现了晶体管延时导通，J延时通电导通。 （3）点火变压器及点火电极船用自动点火装置大部分都是通过点火变压器将380V的交流电压升高到8000或10000V，然后在点火电极两端利用高压电尖端放点，产生火花点火。点火电极通常是两根2mm的镍铬合金丝，用耐高压的瓷套管绝缘固定在喷油器上。如图2-6-14所示。（

47、4）火焰感受器图2-6-14 点火装置示意图1点火电极；2点火喷油嘴；3主喷油嘴火焰传感器用于监测炉膛内有无火焰，以便在锅炉点火失败或正常燃烧突然熄火时的报警和执行停炉保护程序。辅锅炉中常用的火焰感受器主要有光敏电阻、光电池和紫外线检测管。光敏电阻光敏电阻由涂在透明板上的光敏层和金属电极引出线构成。它的主要特点是，当遇到光照时其电阻值非常小，无光照时电阻值却很大，两者之间的比值通常在102105之间。在光敏电阻两端所加电压不变的情况下，由于光敏电阻接受到来自炉膛的火焰光照时其电阻比没有接受到光照时的电阻小得多，所以其流过光敏电阻的电流值相差很大。光敏电阻火焰监视电路原理图如图2-6-15所示。

48、光敏电阻不耐高温，一般在光敏电阻前装有磨砂玻璃，一方面阻挡红外线，同时便于利用空气对光敏电阻进行冷却。图2-6-16是光敏电阻火焰感受器示意图。光敏电阻容易受到高温炉壁所辐射的可见光和红外线的影响而产生误动作，因此安装时注意不要让高温炉壁的辐射直接照射到光敏电阻上。图2-6-16 光敏电阻火焰感受器1光敏电阻；2磨砂玻璃；3耐热玻璃冷却空气火焰光照去控制电路JRg（a）RgJ（b）图2-6-15 光敏电阻火焰监视电路原理图光电池光电池是一种半导体材料，在光照下直接将光能量转变成电动势。图2-6-17是光电池控制电路原理图。（a）图中采用的是RAR型硒光电池，当它接受到光照时，正负极之间将会产生

49、小于1V的电压，经过放大器MV后足以使继电器FR动作。（b）图中采用的是2CRII型光电池，当它受到光照时，光电池两极间将产生0.5V的电压，经过晶体管放大后使继电器J动作。光电池使用寿命长，而且它的光谱敏感范围仅限于可见光，不包括红外线，因此在锅炉火焰监视上用得越来越多。MVFRBRAR（a）（b）DJRb2CRIIT图2-6-17 光电池控制电路原理图五、船舶蒸汽锅炉的安全保护船舶蒸汽锅炉的安全保护主要有危险水位保护、燃烧控制的连锁保护装置、压力控制的连锁保护安全装置、炉膛连锁保护装置、油温连锁保护等。正确理解这些保护的原理及作用并维护保护装置的完好，对锅炉的安全运行有重要的意义。1、危险

50、低水位保护不论锅炉是采用双位式水位控制还是恒定水位的水位控制，都设有危险低水位保护装置，防止锅炉在缺水的情况下干烧，导致锅炉损坏。事实上，由于锅炉低水位保护装置失效而导致锅炉烧塌的事故也很多。因此，我们有必要了解这个保护装置的日常保养工作。前已述及，电极式双位水位控制系统中最低一根电极就是危险低水位保护采集信号用的。电极的结构如图2-6-20，为保证其正常工作，日常保养要注意：图2-6-20 锅炉水位电极结构1)电极支架 3),c水位测量杆 a 接线柱 b 锁紧螺母（1）定期清洁电极，防止影响其灵敏度；（2）每三个月测量其绝缘，a-c绝缘为0；a-b绝缘为0.1M或更高；（3）每月冲洗电极室，

51、更换水，防止电极室的水长期不流动，导致水被电离，影响其导电性。（4）每月检查、试验给水泵动作及其危险低水位报警。图2-6-21 火焰检测器1.火眼 2.安装盒 3.支撑架4.火眼玻璃 5.密封填料2. 燃烧保护 （1）点火失败保护 这个保护的目的是为了防止在点火过程中，在点火电极通电的情况下，继续喷进燃油而引起爆燃或炉膛爆炸的可能。点火应该在短时间完成，如果接通点火开始计时（一般10s），火焰检测器还没有检测到火焰，那么就给出点火失败的声光报警，并中断锅炉运行。 （2）中途熄火保护 锅炉燃烧运行过程中，如果火焰检测器超过10s还没有得到火焰的信号，那么就会终止燃烧，停止燃油，防止过多未燃烧的燃

52、油进入炉膛，引起事故。 （3）火焰检测器的日常维护火焰检测器结构如图2-6-21所示，日常保养要注意：定期清洁火眼玻璃，避免影响透光性；正常火眼的阻抗为100k，检测到火焰时电阻在500以下；每月试验火焰检测器功能是否正常。3、温度报警及保护 （1）排气高温保护在锅炉烟道上安装了一个温度继电器，如图2-6-22所示。如果排气温度超过设定值，将发出声光报警。引起排气温度异常升高的情况，往往是锅炉燃烧异常，不完全燃烧导致后燃加剧。这时应检查锅炉的燃烧情况。如果不完全燃烧持续时间长，将在锅炉的水管壁上积聚一层厚厚的烟灰，影响锅炉的运行安全和热效率。而引起不完全燃烧的原因，往往是锅炉燃烧的风油比调整不

53、当或者油温太低所致。图 2-6-23 RT型温度继电器1 设定旋钮 2 刻度尺 3 幅差调整螺母图2-6-22 温度继电器（2）高油温保护船用锅炉一般燃用渣油，目前船舶常用的燃油以IFO380cst为主，要保证良好雾化和燃烧，必须进行加热，常用燃油黏度和加热温度如表2-6-2所示。表2-6-2 燃油加热温度推荐值雷氏No.1 Sec./1001500Sec2500Sec3500Sec运动黏度（cst）50IFIF-180180cst290cstIF380380cst运动黏度（cst）100CIMAC 和ISO25cstCIMAC/RM-25-35cstCIMAC/RM-35加热温度推荐125130135140锅炉燃油加热装置一般采用电加热，对电加热器应定期正确地保养，定期清除结垢，检查绝缘是否正常，防止漏电导致事故。油温过高，不仅影响燃油的雾化，而且如果超过其闪点时，可能会引起自燃。因此油温超过某一允许值时