圓形煤場(chǎng)防自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張春光，李 波，歐陽興東，何楚峰，宋振霆

（1.廣州發(fā)展燃料港口有限公司，廣東 廣州 511457；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

圓形煤場(chǎng)防自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張春光1，李 波1，歐陽興東1，何楚峰1，宋振霆2

（1.廣州發(fā)展燃料港口有限公司，廣東 廣州 511457；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

隨著環(huán)保要求的不斷提高，不少火電廠開始用圓形煤場(chǎng)來替代條形露天式煤場(chǎng)。兩者相比，圓形煤場(chǎng)擁有存煤時(shí)間長、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。但是，圓形煤場(chǎng)中的煤長期貯存容易自燃，不僅有可能燒毀圓形煤場(chǎng)的建筑結(jié)構(gòu)，還可能損失儲(chǔ)存的煤炭資源。因此，通常情況下，圓形煤場(chǎng)會(huì)采取一系列有效的消防措施或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來預(yù)防煤堆的氧化自燃。簡(jiǎn)要闡述了圓形煤場(chǎng)的性能特點(diǎn)和煤場(chǎng)內(nèi)易發(fā)生自燃的區(qū)域，在此基礎(chǔ)上選用合適的傳感器，通過布置合理的探測(cè)點(diǎn)全面監(jiān)測(cè)煤場(chǎng)內(nèi)部情況。運(yùn)用LabVIEW編制控制軟件，能夠顯示數(shù)據(jù)和圖表。將傳感器布置在圓形煤場(chǎng)內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將其送往下位機(jī)電路進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和報(bào)警判斷，然后在上位機(jī)界面安裝數(shù)據(jù)與圖表顯示的火電廠圓形煤場(chǎng)防自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圓形煤場(chǎng)；防自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；傳感器；電路設(shè)計(jì)

1 背景及意義

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，火電廠單機(jī)容量逐漸向高參數(shù)、大機(jī)組的方向發(fā)展。因此，為了確保機(jī)組燃煤需求，火電廠燃煤貯存規(guī)模也逐步向大容量發(fā)展。封閉圓形煤場(chǎng)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)露天條形煤場(chǎng)占地面積大、嚴(yán)重污染環(huán)境等問題[1-2]。由于封閉圓形煤場(chǎng)有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如占地面積小、場(chǎng)地利用率高、環(huán)境污染小、程控水平高、配備技術(shù)先進(jìn)等，得以廣泛運(yùn)用。但是，與其優(yōu)點(diǎn)相對(duì)，其缺點(diǎn)也十分明顯，其中，最突出的就是封閉空間內(nèi)煤堆極易因氧化還原反應(yīng)而發(fā)生自燃。煤場(chǎng)一旦發(fā)生自燃現(xiàn)象，不但會(huì)使大量?jī)?chǔ)煤被燒掉，造成浪費(fèi)，還會(huì)嚴(yán)重破壞附近的煤場(chǎng)設(shè)備和建筑，威脅技術(shù)工作人員及相關(guān)人員的生命安全。因此，煤場(chǎng)往往需要配置完整、全面的安全監(jiān)測(cè)與保護(hù)設(shè)備來保證圓形煤場(chǎng)設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行，同時(shí)，研究煤場(chǎng)的防自燃問題，在圓形煤場(chǎng)布置合理、全面的防自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是極其重要的。這樣做，可以有效監(jiān)測(cè)圓形煤場(chǎng)內(nèi)的溫度、氣體濃度等，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)及時(shí)報(bào)警通知相關(guān)工作人員，而且還能夠幫助工作人員全面、準(zhǔn)確地了解煤場(chǎng)內(nèi)部的情況。

2 防自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

相關(guān)人員研究現(xiàn)有的火電廠煤場(chǎng)防自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其擁有較高的精度，且更高抗干擾性的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的成本也高，平時(shí)維護(hù)需要的各類費(fèi)用與人工也相對(duì)較多[3]；相反，運(yùn)用無線或有線傳輸方式的測(cè)溫系統(tǒng)，例如紅外熱成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，雖然在精度和抗干擾性上不及光纖傳輸，但它的成本和人工維護(hù)更加低廉、簡(jiǎn)便，相對(duì)來說更適用于各個(gè)火電廠的煤場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上，要想提高測(cè)溫系統(tǒng)的精確度，就要在布置傳感器位置、編輯上位機(jī)軟件方面下功夫。

本文設(shè)計(jì)的圓形煤場(chǎng)防自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)合理布置各類傳感器，全面監(jiān)測(cè)煤場(chǎng)內(nèi)部各類能導(dǎo)致煤堆自燃的因素，并通過上位機(jī)進(jìn)行有效數(shù)據(jù)查看和報(bào)警提醒來防止圓形煤場(chǎng)發(fā)生自燃。在此過程中，運(yùn)用單片機(jī)和傳感器進(jìn)行下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)，用LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)軟件編制，以構(gòu)成一個(gè)完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.1 圓形煤場(chǎng)的性能特點(diǎn)

圓形煤場(chǎng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①煤場(chǎng)場(chǎng)地利用率高，占地面積小，相對(duì)煤儲(chǔ)量大。②設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，自動(dòng)化程度高，堆取作業(yè)可通過控制室程序控制，方便工作人員技術(shù)操作。③遵循先進(jìn)先出的堆取作業(yè)原則，減少舊煤剩余量，能在一定程度上防止煤堆自燃的情況發(fā)生[4]。④封閉程度高，在減少粉塵對(duì)外部環(huán)境污染的同時(shí)，也降低了外部環(huán)境，比如天氣、風(fēng)雨對(duì)煤堆儲(chǔ)存造成的不利影響。⑤造價(jià)與普通露天煤場(chǎng)相比較昂貴，且技術(shù)要求高。對(duì)儲(chǔ)存煤質(zhì)煤種的要求高，如果不能及時(shí)通風(fēng)，會(huì)導(dǎo)致煤場(chǎng)內(nèi)可燃?xì)怏w濃度急劇升高，引發(fā)自燃。

2.2 主要測(cè)量位置的確定

對(duì)于儲(chǔ)存在煤場(chǎng)的煤堆，不同區(qū)域，周邊溫度、濕度和空氣的接觸面與該區(qū)域煤質(zhì)的不同，其引發(fā)自燃的概率也是不同的。因此，在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，也需要關(guān)注不同的區(qū)域。

2.2.1 煤堆底層的周邊容易發(fā)生自燃

一般的煤堆中都含有大量塊狀物，這些塊狀物主要是由煤矸石構(gòu)成的。煤矸石是煤礦開采過程中采出的廢礦石，含有大量的金屬氧化物，容易發(fā)生自燃。煤炭落地時(shí)會(huì)因?yàn)殡x析作用而使其中大部分的塊狀物集中于煤堆底層，因此，煤堆底層周邊易成為自燃高發(fā)區(qū)。

同樣，在煤堆中，塊狀物多集中在煤層下2 m左右的地方，這使得煤層空隙較大，與空氣接觸面大，易發(fā)生完全氧化反應(yīng)，生成二氧化碳。而在更深的煤層，與空氣接觸面積比較小，所以，會(huì)發(fā)生不完全氧化還原反應(yīng)，生成硫磺。氧化反應(yīng)會(huì)放出大量熱，又因?yàn)樘幱诿簩觾?nèi)不易散發(fā)熱量，從而使煤堆的溫度不斷升高，進(jìn)而導(dǎo)致自燃。

2.2.2 煤堆的交匯處易發(fā)生自燃

煤堆中的塊狀物本就集中在煤堆底部周邊，而在兩煤堆的交匯處，更是聚集了大量的塊狀物，并且此處煤層堆積較少，受到的擠壓較小，因此，其間空隙較大、較多，如果是2種不同煤質(zhì)的煤堆相交匯，會(huì)使得此區(qū)域成為一個(gè)氧氣充足、熱量擴(kuò)散快的自燃高發(fā)區(qū)。

2.2.3 煤堆的斷面疏松區(qū)易發(fā)生自燃

在堆放、存儲(chǔ)煤炭的過程中，往往會(huì)因?yàn)楦鞣N各樣的原因出現(xiàn)密集度不同的疏松區(qū)和密實(shí)區(qū)。通常情況下，密實(shí)區(qū)是由顆粒度比較小的煤塊積壓在一起造成的，疏松區(qū)則集中了大量塊狀物。一般情況下，疏松區(qū)的孔隙率比較大，擁有較好的供氧條件，因此，與密實(shí)區(qū)相比更易引發(fā)自燃[5]。

對(duì)于整個(gè)圓形煤場(chǎng)而言，較大的占地面積與廣闊的內(nèi)部空間使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以同時(shí)做到全面覆蓋與精確監(jiān)測(cè)。但兩者對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都十分重要，全面的監(jiān)測(cè)有利于工作人員及時(shí)掌握整個(gè)煤場(chǎng)的總體情況，精確監(jiān)測(cè)則能夠針對(duì)事故多發(fā)區(qū)域。因此，本文設(shè)計(jì)的防自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在對(duì)整個(gè)圓形煤場(chǎng)進(jìn)行整體監(jiān)測(cè)的同時(shí)，也對(duì)以上煤場(chǎng)中煤堆自燃多發(fā)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

在圓形煤場(chǎng)中布置傳感器時(shí)，先要確定圓形煤場(chǎng)的基本規(guī)格。因此，以直徑為120 m，高65 m，面積為22 620 m2，側(cè)墻高15 m，可儲(chǔ)煤1.3×105t的圓形煤場(chǎng)為例，設(shè)計(jì)硬件電路。

3.1 溫度傳感器的布置

橫向上，在圓形煤場(chǎng)0°～300°范圍內(nèi)，沿內(nèi)壁每隔50°安裝1個(gè)溫度傳感器，共6個(gè)；縱向上，從側(cè)墻底部開始，每隔2 m向上安裝1個(gè)溫度傳感器，共7個(gè)。同時(shí)，在堆取料機(jī)中心柱上每隔120°安裝1臺(tái)線式紅外測(cè)溫儀，共3臺(tái)。這樣布置安裝能夠全面監(jiān)測(cè)煤堆表層溫度，并兼顧到整個(gè)圓形煤場(chǎng)，一旦其中某個(gè)傳感器測(cè)得的溫度超過40℃的警戒值，工作人員收到報(bào)警后也可以根據(jù)報(bào)警位置快速確定事故發(fā)生區(qū)域。

3.2 可燃?xì)怏w檢測(cè)器的安裝布置

在平時(shí)裝卸煤的工作中，儲(chǔ)放在煤場(chǎng)內(nèi)的煤往往會(huì)受到各種擠壓，摩擦而使煤塊粉碎破裂，這使得煤塊中含有的微量可燃?xì)怏w逐漸被放出。當(dāng)大量的可燃?xì)怏w積聚在煤場(chǎng)內(nèi)部時(shí)，極易導(dǎo)致煤堆自燃。因?yàn)榭扇細(xì)怏w（本設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注一氧化碳和甲烷）與空氣相比較輕，所以，要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)煤場(chǎng)的上半部分和通風(fēng)排氣口，具體布置如下。

3.2.1 固定點(diǎn)

在高30 m的半圓形鋼網(wǎng)架處，繞煤場(chǎng)一周均勻布置8個(gè)氣體檢測(cè)探頭，用于監(jiān)測(cè)圓形煤場(chǎng)上部可燃?xì)怏w的濃度。

3.2.2 動(dòng)態(tài)點(diǎn)

在中心鋼柱外伸的懸臂一側(cè)，離中心柱從遠(yuǎn)到近均勻布置4個(gè)氣體檢測(cè)探頭，使其能夠做動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，與固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)互補(bǔ)。

3.3 粉塵濃度檢測(cè)器的安裝布置

煤炭堆存于圓形煤場(chǎng)時(shí)，由于卸煤、輸送等機(jī)構(gòu)的動(dòng)作會(huì)使煤塵大量揚(yáng)起，又因?yàn)槊簣?chǎng)內(nèi)的空間相對(duì)封閉，導(dǎo)致懸浮在空氣中的煤塵濃度不斷增大，且當(dāng)圓形煤場(chǎng)內(nèi)部溫度足夠高時(shí)，有可能引起煤塵爆炸。因此，為了能夠全面監(jiān)測(cè)粉塵情況，本設(shè)計(jì)采取以下布置方式。

3.3.1 固定點(diǎn)

在圓形煤場(chǎng)半圓形鋼網(wǎng)架的底部，環(huán)繞煤場(chǎng)一周均勻布置8個(gè)激光粉塵檢測(cè)探頭，全面檢測(cè)整個(gè)圓形煤場(chǎng)。

3.3.2 動(dòng)態(tài)點(diǎn)

在中心柱堆料機(jī)外伸懸臂的下方，離中心柱從遠(yuǎn)到近均勻安裝布置4個(gè)激光粉塵檢測(cè)探頭。當(dāng)懸臂工作時(shí)，探頭能夠隨著懸臂動(dòng)作而改變監(jiān)測(cè)位置，做到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，同時(shí)，與固定點(diǎn)形成互補(bǔ)，確保做到全面、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。

硬件電路流程如圖1所示，其需要具備以下功能：①接收傳感器信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；②將接收到的電壓值分別轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度、濃度值；③將轉(zhuǎn)換后的值與設(shè)定好的警戒值進(jìn)行比較；④當(dāng)檢測(cè)值大于設(shè)定值時(shí)，蜂鳴器響，對(duì)應(yīng)的報(bào)警燈閃爍。

圖1 電路流程圖

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

一般情況下，上位機(jī)是一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)起到顯示和控制作用的主機(jī)。上位機(jī)發(fā)送信號(hào)給下位機(jī)，下位機(jī)再對(duì)各設(shè)備進(jìn)行具體控制，然后反饋信息給上位機(jī)。本設(shè)計(jì)運(yùn)用LabVIEW2014軟件來進(jìn)行上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)的功能有：下位機(jī)通過串口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，煤場(chǎng)內(nèi)溫度、氣體和粉塵濃度的界面顯示，溫度、氣體和粉塵濃度的波形圖表顯示，超過警戒值后報(bào)警等。通過VISA，可以傳輸數(shù)據(jù)，再用字符串轉(zhuǎn)數(shù)值的控件將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為數(shù)值，通過數(shù)值顯示控件顯示出來，或用波形圖進(jìn)行趨勢(shì)描繪。另外，將數(shù)值與設(shè)定警戒值進(jìn)行比較，判斷是否需要點(diǎn)亮布爾燈以報(bào)警。檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)界面如圖2所示。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)界面

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的圓形煤場(chǎng)防自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇PT100鉑電阻溫度傳感器、光散射粉塵檢測(cè)儀、催化燃燒式氣體檢測(cè)儀等作為安裝在圓形煤場(chǎng)內(nèi)部的檢測(cè)裝置，通過Proteus仿真軟件，利用AT89C51單片機(jī)、ADC0809、3個(gè)LED燈、3個(gè)滑動(dòng)變阻器和1個(gè)蜂鳴器進(jìn)行預(yù)警電路的仿真設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)不同輸出信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷是否需要蜂鳴器與報(bào)警燈發(fā)出報(bào)警動(dòng)作，同時(shí)，還可以通過不同報(bào)警燈閃爍來判斷到底是哪個(gè)輸出信號(hào)超過限定值。在軟件部分，使用LabVIEW軟件編制上位機(jī)軟件，并設(shè)計(jì)用戶界面。通過此界面，用戶可以從波形圖表中看到較為全面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

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TD75；TP274

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.057

2095－6835（2018）01－0057－03

〔編輯：白潔〕