國內首座大型儲煤球倉防爆、防自燃的探討

王志宏

摘要：清苑電廠大型儲煤球倉，目前在國內尚屬首例，目前國內沒有運行業(yè)績，國外也沒有在儲煤球倉中采用這種上部落煤、下部由葉輪給料機取料的方式，防爆、防自燃成為安全運行的一大難題，本文從球倉設計、運行監(jiān)控和措施以及出現(xiàn)的事故分析方面對球倉的防爆、防自燃進行了一點研究。

關鍵詞：程控安全監(jiān)測；防爆運行措施；存在的問題

1 清苑熱電項目儲煤球倉總體情況簡介

薄殼式球形倉結構以其結構受力特性好、占地面積小、外形美觀環(huán)保、施工工期短（6-8個月）施工過程在殼體內部進行，一旦薄膜充氣完成，內部施工不受外部氣候的影響等特點，在煤炭、水泥、飛灰、石灰石、肥料、礦石、糧食等各種散狀物料的儲料設施和一些民用設施（場館、辦公樓、別墅等）中得到了廣泛應用。在歐美已有近30年的歷史，技術成熟，球形倉技術歐洲主要以Pirs SA為主，美國主要以Dome Technology為主。球形貯煤倉，在國外燃煤發(fā)電廠的貯煤設施中得到了應用，清苑電廠大型球倉在國內尚屬首例。

清苑熱電項目本期共建設兩座直徑為65m、高度為40.5m的儲煤球倉，總貯煤量約為12萬噸，可供本期2×300MW級機組燃用約19.4天，滿足規(guī)劃容量（4×300MW）機組9.7天的耗煤量。儲煤球倉的上煤路徑為：翻車機—翻車機煤斗—皮帶給煤機—1號B皮帶機—2、3號皮帶機—1、2號球倉。儲煤球倉環(huán)基下設置5條狹縫式煤溝及5條皮帶機，每條煤溝使用一臺葉輪撥煤機作為給煤設備。設備在旋轉的同時沿煤槽的取煤平臺縱向行走，將煤撥入帶式輸送機。采用變頻調速對撥煤機的取料能力進行調節(jié)，系統(tǒng)靈活，可靠性高。啟動相應的皮帶機后，可開啟2臺葉輪撥煤機分別在1號、2號球倉范圍內的地下廊道內行走給煤，實現(xiàn)2個倉儲煤的均勻摻配。

由于國內尚無沒有運行業(yè)績，盡管從結構設計中倉底均設計有角度，無存煤死角，但由于密閉環(huán)境，儲煤天數較長，還是有可能發(fā)生自燃，所以防爆防自燃成為困擾球倉安全運行的一大難題。

2 球形煤倉由于具有自燃及爆炸的風險，因此配備了安全監(jiān)測報警及防爆設施

2.1 設置了完善的計算機監(jiān)測及連鎖控制系統(tǒng)

在輸煤集控室配置一套計算機測控系統(tǒng)，計算機測控系統(tǒng)配備了最新工控組態(tài)軟件，具有逼真畫面顯示，人機對話、報警記錄、報警記錄、事故追憶查詢、打印報表以及數據曲線等功能。

（1）球倉安全監(jiān)測系統(tǒng)設置

煙氣監(jiān)測系統(tǒng)：球倉配置一定數量的可燃氣體CO/CH4傳感器，煙霧監(jiān)測傳感器。安裝在儲倉頂部和接近煤堆的球倉壁上，其中可燃氣體和CO顯示范圍為0-100，表示該氣體在空氣中所占百分比。顯示超過25有一個高報警、超過40有一個高高報警，高高報警發(fā)出后，惰化充氣自動開啟，向球倉內充氣。

畫面下側為煙霧報警報警。當煙霧報警顯示“打開”時說明筒倉中有煙霧，惰化充氣自動開啟，筒倉上煤時粉塵易誘發(fā)報警，應做出相應處理。

（2）連續(xù)料位檢測系統(tǒng)：料位監(jiān)測裝置。

安裝超聲波料位計、超高料位限位開關，一定數量的射頻導納高料位探頭，并與進料帶式輸送機系統(tǒng)連鎖，當球倉內物料到達超高料位時，進料系統(tǒng)停止繼續(xù)進料。

球倉激光料位裝置采用國外（加拿大）先進的測量儀器，能夠實時配備測量整個球倉各點的料位并通過計算機程序計算出倉內燃煤的存量，具有盤點煤量的功能。球倉內儲煤的形狀可以通過球倉頂部的激光三維測距掃描系統(tǒng)得到。 激光掃描系統(tǒng)每隔2小時掃描一次，軟件通過三維立體畫面，立體呈現(xiàn)煤的儲存狀況。同時系統(tǒng)給出煤的平均高度，并估算出煤的體積和噸數。

（3）球倉內配置測溫監(jiān)測系統(tǒng)：

分別在煤倉底部、煤堆中部和表面設置遠紅外溫度傳感器，監(jiān)測球倉中存煤的溫度變化；正確反映球倉內的煤體表面溫度和可能的自燃、易燃點。 報警參數的范圍可調整。當溫度表顯示兩筒倉中溫度超過60度時，惰化充氣自動開啟，向球倉內充氣。

2.2 防爆門的配置

泄爆方式：重力翻板式。防爆門的總有效泄壓面積應達到25 m2 ，泄壓率95%，連接處具有≤90℃的限位，當壓力達到一定的值時， 泄壓門自動開啟，并在泄爆后能自動閉合。

2.3 儲倉的消防設施和通風除塵裝置

設置消防水炮。通過安全監(jiān)測系統(tǒng)檢測到局部溫度過高或發(fā)生自燃的火警區(qū)域，調整角度進行噴水滅火。

設置泡沫滅火裝置。對局部自燃區(qū)域噴射泡沫滅火劑。

另外，在倉頂轉運站設置通風換氣裝置和除塵器；

2.4 設置置換惰化設施

設置制氮系統(tǒng)，氮氣惰化保護系統(tǒng)對球形倉進行鎖氣和充氮氣，以盡最大可能預防爆燃事故的發(fā)生和擴大。當儲煤超過72小時或溫度超過60度或CH4和CO超過40或有煙霧報警時10分鐘后打開球倉底層氮氣電磁閥，10分鐘后打開球倉上層電磁閥，當所有報警都消除后關電動閥40秒及關閉所有電磁閥。

3 制定完善的防自燃、防爆運行措施

3.1 來煤煤質的控制

煤的自燃難易程度同煤的揮發(fā)分高低有很大的關聯(lián)性，揮發(fā)分越高煤越容易自燃。從運行經驗來看，短期儲存（時間少于1個月）的無煙煤、貧瘦煤很難發(fā)生自燃；但隨著揮發(fā)分的升高，自燃的可能性會呈指數增長。

綜合以上原因，必須控制好入廠煤質，使來煤盡量接近設計煤種，盡量不來或少來20%≤Vdaf≤30%的煤。清苑熱電項目設計煤種 為干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf=17.99%，

校核煤種均為干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf=14.21%，是無煙煤與貧瘦煤的混煤，儲煤球倉的混配方案為一個倉儲存無煙煤，一個倉儲存貧瘦煤，上煤時兩個倉同時供煤，按比例進行摻配。杜絕Vdaf≥30%的來煤。

3.2 運行安全措施

煤在自然堆積的狀態(tài)下，煤堆內部會有很多縫隙，發(fā)電廠用煤一般是粉末狀或小顆粒居多，表面積很大。煤的表面同煤堆內部的氧氣發(fā)生氧化反應，釋放出熱量，在煤堆內部熱量無法釋放，當到達一定的溫度煤會發(fā)生自燃。 煤的揮發(fā)分主要成分是低分子烴類，如甲烷，乙烯，丙烯等以及—氧化碳，二氧化碳，硫化氫等。一般來說，揮發(fā)分多的煤種，揮發(fā)分逸出的溫度更低，所以高揮發(fā)分煤更易自燃。

對于開放式煤場而言，煤場防止自燃的主要辦法為：一是分層碾壓，減少煤堆內部的氧氣；定期翻燒，減少煤的存放時間。

對于儲煤球倉來說，對于抑制儲煤自燃的有利條件有：一是儲煤球倉為全封閉煤場不會受到太陽的直射；二是不會受到雨水的影響，雨水沖刷、雨水滲入煤堆內部后蒸發(fā)會在煤堆內部形成空隙，加快煤的氧化反應；三是球形煤場的儲煤可以做到“先進先出”、無存煤死角，煤在球倉中的理論存放時間最多不會超過20天；四是儲煤球倉從下部給煤，上煤過程中對上部的存煤有一定的“擾動”，煤的氧化反應產生的熱量不會長時間聚集。

儲煤球倉對抑制自燃不利的是儲煤無法進行分層碾壓。

結合儲煤球倉的特點，制訂以下抑制自燃的運行措施：

（一）5條煤溝輪流使用，防止產生局部存煤時間過長產生自燃。

（二）由于每個球倉只有一個落煤點，存煤過程中會產生一定的離析效應，大量煤塊會沿煤堆的邊緣儲存到球倉的邊緣，塊煤間間隙大，存在許多空隙，這些空隙會加快煤的自燃，所以適當加大南北兩側兩條煤溝的使用頻率。生產運行中取煤控制要先進先出，兩側輪流取煤，避免單側存煤量過大，避免靠近倉壁處存煤時間過長。

（三）球倉煤槽傾角設計為 ，當煤濕、煤粘度較大時，盡量縮短靜止時間，每條皮帶輪流運煤，平衡卸煤，使用葉輪給煤機的水力破拱裝置防止蓬煤，避免長時間棚煤造成自燃。

（四）在給球倉上煤過程連鎖啟動2號、3號轉運站布袋除塵器，降低球倉內的可燃氣體濃度。

（五）運行人員通過上位機加強球倉內溫度、甲烷、一氧化碳、煙氣各個測點的監(jiān)控，對于球倉監(jiān)控系統(tǒng)的報警不查明原因絕不放過，如測點發(fā)生問題及時更換。

（六） 球倉在儲存設計煤種或揮發(fā)分同設計煤種接近的來煤過程中，球倉安全惰化系統(tǒng)應處于熱待機狀態(tài)，當出現(xiàn)下列情況時啟動安全惰化保護：

1.球倉靜止儲煤超過3天時、球倉發(fā)現(xiàn)自燃傾向和異常、監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)氣體濃度報警時，啟動惰化系統(tǒng)，向球倉充氮氣，抑制和延緩自燃的發(fā)生。

球倉發(fā)現(xiàn)自燃傾向和異常，而且球倉安全惰化保護系統(tǒng)開始向煤層間斷充氮氣后未能抑制和延緩自燃的發(fā)生有繼續(xù)發(fā)展趨勢時，使用惰性氣體置換球倉上部空間可能爆炸的氣體，全方位控制和抑制自燃和爆炸直到球倉原煤用盡。

（七）如果球倉內存入高揮發(fā)分等易自燃煤種，開啟惰化系統(tǒng)向煤層充入惰性氣體直至易自燃煤種用盡。

4 目前運行中出現(xiàn)的一些問題

8月初，#1球倉頂部有濃烈的煤氣味道，打開檢查口，有煙氣大量涌出，判斷發(fā)生自燃，但是監(jiān)測系統(tǒng)未報警，溫度、CO、CH4等測點數值與正常情況下未出現(xiàn)異常，手動每班強制沖氮兩次，開啟防爆門通風，次日自燃現(xiàn)象消失。對此次事故的發(fā)生進行了分析。

4.1 儲煤有蓬煤、搭橋現(xiàn)象，長時間存煤容易引發(fā)自燃。

雨季以來，來煤粘度大、水分高，造成煤在球倉內流動性較差，發(fā)現(xiàn)球倉內有棚煤、搭橋等現(xiàn)象，5條輸煤廊道，葉輪撥煤機時有撥不到煤的情況發(fā)生，造成棚煤的原因除了煤質本身的特性外，還有料倉設計和運行方面的問題：

——料倉的倉壁不夠光滑，摩擦系數大：

#1球倉在煤槽的斜壁和底面鋪設了摩擦系數低的耐磨材料鑄石板，鑄石板粘貼工藝要求較高，需要14天左右養(yǎng)護，施工中難免有養(yǎng)護不到位的情況，運行一段時間后，鑄石板有一定程度的脫落。

落煤點在球倉頂部，倉頂高41.5米，加上除大塊器至今未能投入運行，攙和了較大石塊的煤從倉頂落入到球倉內，對倉內脆性較大的鑄石造成一定程度的損傷。

——球倉內煤槽與球倉內壁交界處留有死角，造成存煤。

——煤槽兩側的斜壁傾斜角度不同，使物料的下滑速度不同，形成結拱現(xiàn)象；

針對這些問題，建議在設計上和運行管理上采取以下改進措施：

——將球倉內的煤騰空，球倉推出運行，對煤槽的斜壁和底面脫落和破碎的鑄石板進行修補；

——在球倉內煤槽與球倉內壁交界處，澆筑混凝土緩坡，避免死角存煤。

——改進并統(tǒng)一煤槽兩側斜壁傾斜角度。

——除大塊器盡早投入運行，避免大塊石頭和煤塊直接進入球倉內。

4.2 熱控測點設置不夠完善，致使球倉內發(fā)生自燃時，監(jiān)控不到未

報警

——每個球倉設置34個溫度測點，測點設置少不能對球倉進行全面檢測，局部發(fā)生自燃時，溫度測點難以到，應設置更多的溫度測點。

——可燃可爆氣體、煙霧檢測測點設置少，局部發(fā)生自燃時不能有效監(jiān)控、報警，應加裝一些可燃可爆氣體、煙霧檢測測點，增大檢測區(qū)域，便于運行人員分析倉內工況。