船用廢氣鍋爐自動吹灰裝置設(shè)計(jì)

楊加力，馬賽男

(1.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021；2.浙江嘉藍(lán)海洋電子有限公司，浙江 舟山 316021)

0 引 言

船用廢氣鍋爐依靠船用主柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的廢氣余熱對水加熱產(chǎn)生蒸汽，供船舶使用。廢氣鍋爐運(yùn)行過程中，其受熱面會產(chǎn)生灰炭和結(jié)焦，這將影響鍋爐的正常受熱，浪費(fèi)大量的化學(xué)能資源，積灰達(dá)到一定程度還有可能引發(fā)煙管粉塵爆炸等事故[2]。因此，在船舶實(shí)際運(yùn)營過程中，船上的工作人員需定期對鍋爐進(jìn)行吹灰操作，以減少鍋爐內(nèi)部的積灰和結(jié)炭，保證鍋爐安全運(yùn)行。船用廢氣鍋爐吹灰主要是指通過固定在鍋爐內(nèi)部的噴嘴將高溫高壓的蒸汽或壓縮空氣噴到爐內(nèi)受熱面等部位，通過蒸汽或壓縮空氣的吹洗，將結(jié)焦和灰炭等吹掉，保證廢氣鍋爐高效運(yùn)行。廢氣鍋爐吹灰的條件為：

1)蒸汽和壓縮空氣作為吹灰介質(zhì)，要具有足夠的壓力，保證吹洗效果良好。

2)吹灰要在主機(jī)轉(zhuǎn)速較大時進(jìn)行，此時排煙管排氣壓力較高，保證吹下的爐灰能隨著廢氣直接排至煙管外；主機(jī)轉(zhuǎn)速較低時排氣壓力不足，可能導(dǎo)致灰塵下落堵在排煙管底部[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的

目前船上廢氣鍋爐吹灰主要是通過人工手動操作完成的。在操作過程中，需手動打開和關(guān)閉蒸汽(或壓縮空氣)閥門，每次吹洗的耗時都較長，且吹灰效果不是很理想。安裝在鍋爐內(nèi)部的吹灰噴嘴的位置是固定的，導(dǎo)致爐內(nèi)經(jīng)常受到吹洗介質(zhì)的腐蝕，而部分位置又吹洗不到。為解決該問題，本文以STC89C52芯片為核心，通過檢測定時時間和主機(jī)轉(zhuǎn)速，通過啟閉電磁閥控制吹洗介質(zhì)的通斷，通過步進(jìn)電機(jī)控制噴管和噴嘴的伸縮，對廢氣鍋爐內(nèi)部進(jìn)行吹灰。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用STC89C52芯片作為主控制單元，通過控制電磁閥的啟閉實(shí)現(xiàn)對吹洗介質(zhì)通斷的控制；通過控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)噴頭的往復(fù)移動，對鍋爐內(nèi)的受熱面等位置吹洗；通過外部按鍵電路對吹洗進(jìn)行定時；通過模式選擇旋鈕選擇手動自動模式，并啟閉電源[3]。定時時間、主機(jī)轉(zhuǎn)速、蒸汽(壓縮空氣)管路溫度和壓力等內(nèi)容顯示在液晶屏上，當(dāng)出現(xiàn)動作未執(zhí)行等異常情況時，發(fā)出聲光報(bào)警。圖1為控制系統(tǒng)框圖。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械部分主要由噴頭、噴管、步進(jìn)電機(jī)、傳動裝置、連接軟管和電磁閥等部件組成(見圖2)。蒸汽(或壓縮空氣)噴頭采用360°可噴出設(shè)計(jì)，安裝在可伸縮的噴管上，內(nèi)部管道逐漸收縮，以增大介質(zhì)的流速；噴管上設(shè)計(jì)有齒條，可與步進(jìn)電機(jī)控制的齒輪嚙合，通過步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)噴管的伸縮，完成對整個內(nèi)部空間的吹洗。噴管可安裝在鍋爐的任意位置處，只要保證噴頭能最大化地對鍋爐內(nèi)部進(jìn)行吹洗即可，且噴管不局限于1只。電磁閥主要用于控制吹洗介質(zhì)，電磁閥打開，介質(zhì)流入，從噴頭噴出，對鍋爐內(nèi)部進(jìn)行吹洗。噴管的行程由限位開關(guān)控制，可在單片機(jī)程序中設(shè)置吹洗時間，當(dāng)吹洗完畢之后，噴管自動收回，噴頭收起，防止長時間在鍋爐內(nèi)部受到高溫的腐蝕。整個裝置由基座固定在鍋爐上。

圖2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主控制電路設(shè)計(jì)

STC89C52芯片具有應(yīng)用范圍廣、成本低和控制精度高等特點(diǎn)，其40管腳能滿足控制步進(jìn)電機(jī)、電磁閥、液晶顯示、按鍵和報(bào)警裝置等的總體要求，較好地實(shí)現(xiàn)所需的控制功能[4]。主控制系統(tǒng)電路圖見圖3。

圖3 主控制系統(tǒng)電路圖

3.2 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

LCD(Liquid Crystal Display)液晶顯示屏具有亮度高和可視面積大等優(yōu)點(diǎn)，安裝在亮度較低的機(jī)艙內(nèi)，能較好地滿足設(shè)計(jì)要求[5]。LCD液晶顯示屏由上、下2行組成，其中：第一行用于顯示定時時間；第二行用于顯示主機(jī)的運(yùn)行速度和蒸汽管的溫度。顯示主機(jī)的運(yùn)行速度能方便管理人員手動操作時了解當(dāng)前主機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，保證在滿足手動吹灰條件的情況下進(jìn)行吹灰操作，防止吹掉的灰塵落到煙管底部。顯示定時時間能方便管理人員通過按鍵對定時時間進(jìn)行調(diào)節(jié)。LCD液晶顯示電路設(shè)計(jì)見圖4。自動吹洗時單片機(jī)根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)自動進(jìn)行動作。

圖4 LCD液晶顯示電路設(shè)計(jì)

3.3 檢測和報(bào)警電路設(shè)計(jì)

電磁閥與軟管之間安裝有適于檢測高溫介質(zhì)的DS18B20溫度傳感器，用于檢測蒸汽介質(zhì)的流通，判斷吹洗過程中是否有蒸汽流過，保證吹洗正常進(jìn)行。同時，在停止吹洗時對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，若閥門泄漏，傳感器檢測到溫度信號，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)，防止鍋爐內(nèi)部壓力過低和蒸汽流失，并對爐膛內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)，防止長時間對爐內(nèi)進(jìn)行吹洗。若采用壓縮空氣作為吹洗介質(zhì)，可使用流速計(jì)作為檢測裝置。報(bào)警系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)見圖5。主機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和溫度傳感器分別與單片機(jī)的P1.5和P1.6相連，用于檢測主機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁閥后蒸汽管路溫度。DS18B20溫度傳感器具有可測溫度較高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。溫度和速度檢測電路設(shè)計(jì)見圖6[6]。

圖5 報(bào)警系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

圖6 溫度和速度檢測電路設(shè)計(jì)

3.4 執(zhí)行設(shè)備電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)控制的執(zhí)行設(shè)備包含電磁閥和步進(jìn)電機(jī)，其中電磁閥采用24 V直流電源供電，通過單片機(jī)引腳控制mos管實(shí)現(xiàn)對電磁閥的啟閉控制。電磁閥采用ZCZG耐高溫型電磁閥，保證工作的可靠性和耐用性[7]。電磁閥電路設(shè)計(jì)見圖7。本文所述設(shè)計(jì)對電機(jī)控制的精度要求不高，因此可采用標(biāo)稱12 V混合式(HB型)，通過ULN2003芯片實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)動控制。步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)見圖8。

圖7 電磁閥電路設(shè)計(jì)

圖8 步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)

3.5 按鍵和手/自動開關(guān)設(shè)計(jì)

按鍵既可用來對定時時間進(jìn)行更改，又可屏蔽掉定時，立即開啟吹灰模式。控制系統(tǒng)可選擇手動控制和自動控制2種模式，設(shè)計(jì)的控制開關(guān)上有關(guān)閉、啟動、手動控制和自動控制等4個位置，其中：關(guān)閉位置為系統(tǒng)斷電停止運(yùn)行；啟動位置為系統(tǒng)通電，準(zhǔn)備按程序運(yùn)行；手動位置為手動吹洗開啟，此位置設(shè)計(jì)有5 s延時；自動位置為按程序定時吹洗[8]。按鈕設(shè)計(jì)有3個，主要實(shí)現(xiàn)定時時間設(shè)定和吹洗初始主機(jī)轉(zhuǎn)速值設(shè)定，按鍵電路圖設(shè)計(jì)見圖9。

圖9 按鍵電路圖設(shè)計(jì)

4 軟件設(shè)計(jì)方案

軟件程序設(shè)計(jì)是系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要保障。系統(tǒng)通電之后開始進(jìn)行程序自檢和初始化，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到手動位置時，系統(tǒng)檢測到吹洗信號之后，將執(zhí)行信號送給電磁閥和步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)電磁閥打開之后，步進(jìn)電機(jī)開始按程序運(yùn)轉(zhuǎn)，使噴管以一定的速度深入鍋爐內(nèi)部，噴嘴開始對爐內(nèi)進(jìn)行360°吹洗，若電磁閥和電機(jī)沒有動作，系統(tǒng)將發(fā)出聲光報(bào)警；當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到自動位置時，系統(tǒng)開始根據(jù)設(shè)定的時間計(jì)時，當(dāng)計(jì)時時間到且主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到吹洗條件之后，開始進(jìn)行吹洗。定時時間和主機(jī)轉(zhuǎn)速必須同時滿足條件，此時電磁閥和電機(jī)即使沒有動作也會發(fā)出報(bào)警，主程序框圖見圖10。

圖10 主程序框圖

5 結(jié) 語

本文所述船用廢氣鍋爐自動吹灰裝置通過單片機(jī)控制電磁閥和步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)鍋爐內(nèi)部煙管和受熱面的自動吹洗，能減少輪機(jī)員的勞動強(qiáng)度，具有操作簡單、使用方便和吹洗效率高等特點(diǎn)，能避免固定噴嘴帶來的吹洗不完全和部分位置產(chǎn)生吹洗介質(zhì)腐蝕的缺點(diǎn)，降低人員經(jīng)常接觸高溫設(shè)備和被蒸汽燙傷的風(fēng)險(xiǎn)。同時，該裝置實(shí)現(xiàn)了單個噴嘴吹洗較大面積的功能，解決了目前需在鍋爐上安裝多個固定噴嘴的難題，增大了有效吹灰面積。該裝置的設(shè)計(jì)主要考慮了控制系統(tǒng)和部分機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的實(shí)現(xiàn)，但沒有對管路和閥件的尺寸、噴嘴的具體結(jié)構(gòu)及安裝位置進(jìn)行闡述，需在后續(xù)研究中加以補(bǔ)充完善。