筒倉(cāng)惰化監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王昌濟(jì), 文天龍

(安徽省皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司, 安徽宿州 234000)

1 項(xiàng)目背景

針對(duì)煤炭露天堆放不僅占地面積大、污染環(huán)境，而且長(zhǎng)期風(fēng)化還會(huì)降低煤質(zhì)[1]的問(wèn)題，采取筒倉(cāng)儲(chǔ)存煤炭無(wú)疑是一種良好的方式[2-3]。

煤炭在筒倉(cāng)的儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，由于煤炭自身的特性，即氧化放熱自燃傾向性，再加上筒倉(cāng)的風(fēng)筒效應(yīng)，在相對(duì)有限的密閉空間內(nèi)，難以散熱，同時(shí)次生瓦斯氣體，極易發(fā)生爆炸，引發(fā)惡性事故，造成重大損失[2,4]。煤炭自燃是在某一點(diǎn)發(fā)生的局部化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)大面積自燃和爆燃。煤炭局部自燃時(shí)，由于范圍小、熱量低、環(huán)境干擾大。筒倉(cāng)常規(guī)監(jiān)測(cè)設(shè)施如溫度、可燃?xì)怏w濃度、氣量等傳感器通常不能及時(shí)做出準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。若等到自燃范圍擴(kuò)大，熱量驟高，可燃?xì)怏w濃度過(guò)高再預(yù)報(bào)則會(huì)貽誤處理時(shí)機(jī)。筒倉(cāng)一旦著火將難以控制火情，只能利用大量氮?dú)夥舛禄蜃鲂冻鎏幚韀3,5-6]，浪費(fèi)大量的人力和物力。因此，從源頭加以預(yù)防控制，而非后期消防滅火，將是解決自燃問(wèn)題的有效手段。

目前電廠主要采用水蒸氣惰化系統(tǒng)，來(lái)源廣、價(jià)格低，但是噴入水蒸氣后，無(wú)法維持很高的系統(tǒng)溫度，水蒸氣很快會(huì)冷凝成液態(tài)水而失去惰化氣體的作用，而且燃燒的煤會(huì)與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成易燃易爆的水煤氣，同時(shí)使用間歇期需保持大量疏水，既不經(jīng)濟(jì)也不安全[7-8]。

考慮企業(yè)實(shí)際安全性、經(jīng)濟(jì)性及可操作性，尤其對(duì)于易燃易爆的化工企業(yè)，采用氮?dú)舛杌到y(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。筆者擬設(shè)計(jì)1套溫度、可燃?xì)怏w、一氧化碳、氧氣、煙霧及料位集成監(jiān)測(cè)的筒倉(cāng)惰化監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)筒倉(cāng)惰化系統(tǒng))[9-12]，同時(shí)配置數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及控制模塊，對(duì)儲(chǔ)煤筒倉(cāng)各種參數(shù)(溫度、可燃?xì)怏w濃度等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)上位機(jī)上的組態(tài)軟件畫(huà)面顯示實(shí)現(xiàn)預(yù)警監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制，從而達(dá)到預(yù)防和保護(hù)的目的。

2 工藝技術(shù)說(shuō)明

該筒倉(cāng)惰化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。

圖1 筒倉(cāng)惰化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)4個(gè)筒倉(cāng)共用1套筒倉(cāng)惰化系統(tǒng)。氮?dú)鈦?lái)源于工廠空分裝置，壓力為0.4 MPa，純度≥95%。筒倉(cāng)惰化系統(tǒng)包括儲(chǔ)氣裝置、減壓裝置、控制閥，以及多個(gè)鎖氣、充氣、換氣預(yù)埋管等。筒倉(cāng)惰化系統(tǒng)的氮?dú)馔ㄟ^(guò)鎖氣管網(wǎng)、充氣管網(wǎng)、換氣管網(wǎng)進(jìn)入儲(chǔ)煤筒倉(cāng)中，迅速擴(kuò)散至筒倉(cāng)內(nèi)的各個(gè)地方，置換易燃易爆氣體，降低易燃易爆氣體的濃度?？紤]筒倉(cāng)特征，設(shè)計(jì)安全、有效、合理的鎖氣管網(wǎng)、充氣管網(wǎng)、換氣管網(wǎng)，保證氮?dú)饽軌蜃畲笙薅鹊?、均勻地滲入煤層，避免氣體溝流情況發(fā)生。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 插入式溫度監(jiān)測(cè)

3.1.1 插入式溫度傳感器安裝數(shù)量

每個(gè)筒倉(cāng)底部錐體處布置8支Pt100溫度傳感器，筒倉(cāng)底部直段部分布置8支，4個(gè)筒倉(cāng)共配置65支溫度傳感器(含1套備品備件)。

溫度探頭采用Pt100鉑電阻檢測(cè)元件，傳感器深入筒倉(cāng)250 mm，傳感器自帶保護(hù)管。溫度探頭的保護(hù)外殼由304不銹鋼制成，保護(hù)套管的強(qiáng)度、剛度和耐磨性能,同時(shí)能夠保證溫度傳感器插入筒倉(cāng)后不被落煤砸壞或磨損。

3.1.2 溫度傳感器安裝位置

在每個(gè)筒倉(cāng)底部錐體處均勻布置8個(gè)溫度傳感器；在筒倉(cāng)底部直段部分一周再均勻布置8個(gè)。布置的溫度探頭能夠正確反映筒倉(cāng)內(nèi)的煤體溫度和可能的自燃、易燃點(diǎn)。

3.1.3 溫度傳感器報(bào)警點(diǎn)

溫度傳感器報(bào)警溫度上限為70 ℃，報(bào)警參數(shù)可調(diào)節(jié)。

3.1.4 溫度傳感器信號(hào)采集

每個(gè)筒倉(cāng)配置智能溫度巡檢報(bào)警儀，接至安裝在筒倉(cāng)底部溫度采集箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)就地顯示及報(bào)警。溫度傳感器信號(hào)通過(guò)RS-485接口傳輸至上位機(jī)系統(tǒng)。

3.2 煤層測(cè)溫裝置

3.2.1 安裝數(shù)量及位置

每個(gè)筒倉(cāng)配置4套煤層測(cè)溫裝置，用于監(jiān)測(cè)筒倉(cāng)內(nèi)部煤的溫度變化，對(duì)稱(chēng)、均勻、垂直吊裝在筒倉(cāng)頂部，伸入筒倉(cāng)煤層內(nèi)部。4個(gè)筒倉(cāng)共配置17套煤層測(cè)溫裝置(含1套備品備件)。

3.2.2 煤層測(cè)溫裝置技術(shù)參數(shù)

每套煤層多點(diǎn)測(cè)溫纜式傳感器含8個(gè)數(shù)字式溫度傳感器(DS18B20)，上端3 m不布置測(cè)溫點(diǎn)，下端平均分布8個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。煤層測(cè)溫裝置采用美國(guó)進(jìn)口一線式數(shù)字溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。輸出信號(hào)接至就地?cái)?shù)據(jù)采集箱，報(bào)警溫度上限為70 ℃，溫度上限可調(diào)。

3.3 溫度巡檢儀

溫度巡檢儀安裝于筒倉(cāng)底部的溫度采集箱內(nèi)，負(fù)責(zé)采集筒倉(cāng)底部溫度傳感器信號(hào)，溫度數(shù)值可以通過(guò)數(shù)碼管就地顯示，并輸出報(bào)警信號(hào)。溫度信號(hào)通過(guò)溫度巡檢儀輸出給上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件可以遠(yuǎn)程顯示溫度信號(hào)并報(bào)警。

3.4 可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)傳感器

每個(gè)筒倉(cāng)各配套安裝2個(gè)CH4檢測(cè)傳感器、2個(gè)CO檢測(cè)傳感器(含變送器)及2個(gè)煙霧探測(cè)器，對(duì)稱(chēng)、均勻布置在筒倉(cāng)頂部，并配置相應(yīng)安裝附件伸入筒倉(cāng)1 000 mm，可燃?xì)怏w爆炸下限(LEL)量程為0%～100%。

設(shè)定報(bào)警值，報(bào)警下限為25%LEL，報(bào)警上限可調(diào)。無(wú)報(bào)警時(shí)，筒倉(cāng)惰化系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)啟動(dòng)安全惰化保護(hù)。

每個(gè)筒倉(cāng)的2個(gè)對(duì)應(yīng)傳感器輸出信號(hào)接至筒倉(cāng)頂部就地?cái)?shù)據(jù)采集箱中的1臺(tái)雙通道氣體報(bào)警器就地顯示。傳感器的輸出信號(hào)制符合中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT 209—1990 《煤礦通信、檢測(cè)、控制用電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求》的規(guī)定，當(dāng)煙霧質(zhì)量濃度為0.1 mg/m3時(shí)，傳感器的響應(yīng)時(shí)間≤30 s。

與此同時(shí)，每個(gè)筒倉(cāng)頂部通廊設(shè)置1個(gè)氧氣濃度檢測(cè)傳感器(筒倉(cāng)頂部和底部各安裝4個(gè)氧氣濃度檢測(cè)傳感器)。氧氣濃度檢測(cè)器應(yīng)不受強(qiáng)磁干擾，不怕潮濕，在低溫狀態(tài)(-37 ℃)下能正常工作，內(nèi)置警鈴，具有現(xiàn)場(chǎng)和控制室同時(shí)報(bào)警的功能。

氧氣濃度檢測(cè)信號(hào)接至數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)氣體監(jiān)測(cè)儀表中，實(shí)時(shí)顯示、輸出監(jiān)測(cè)信號(hào)。

3.5 料位計(jì)

3.5.1 安裝數(shù)量及位置

每個(gè)筒倉(cāng)安裝1臺(tái)雷達(dá)連續(xù)料位計(jì)，配置1套控制箱。料位計(jì)垂直安裝在筒倉(cāng)頂板處，應(yīng)避開(kāi)落料口且距離筒倉(cāng)壁至少2 m，以有效避免卸料過(guò)程及筒倉(cāng)壁對(duì)雷達(dá)回波的影響。

3.5.2 筒倉(cāng)高煤位監(jiān)測(cè)

每個(gè)筒倉(cāng)安裝2臺(tái)射頻導(dǎo)納式料位控制器，垂直安裝在筒倉(cāng)頂板上，距離落煤口1 m左右。當(dāng)筒倉(cāng)煤位達(dá)到一定高度時(shí)，發(fā)出報(bào)警，同時(shí)上傳可編程邏輯控制器(PLC)聯(lián)鎖控制，停止輸煤。4個(gè)筒倉(cāng)共配置8臺(tái)射頻導(dǎo)納式料位控制器。

3.6 安全泄爆裝置

3.6.1 安裝數(shù)量及位置

每個(gè)筒倉(cāng)配置8臺(tái)重力翻板式防爆門(mén),安裝在筒倉(cāng)頂部斜面處，均勻配置。因?yàn)橥矀}(cāng)內(nèi)易燃易爆氣體大多積聚于筒倉(cāng)頂部，當(dāng)筒倉(cāng)內(nèi)壓力過(guò)大時(shí)，筒倉(cāng)內(nèi)氣體往上運(yùn)動(dòng)頂開(kāi)防爆門(mén)，防爆門(mén)可起到及時(shí)泄壓防爆的目的。

3.6.2 泄爆方式

采用重力翻板式防爆門(mén)，門(mén)和框的連接處采用≤90 ℃的限位。當(dāng)倉(cāng)內(nèi)壓力達(dá)到一定值時(shí)，泄壓門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟；當(dāng)倉(cāng)內(nèi)壓力降低至常壓時(shí)，泄壓門(mén)自動(dòng)復(fù)位。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)筒倉(cāng)惰化系統(tǒng)，可在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的狀態(tài)下，保證筒倉(cāng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠。筒倉(cāng)在正常儲(chǔ)存和出煤的過(guò)程中，其筒倉(cāng)惰化系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。若筒倉(cāng)靜止儲(chǔ)煤時(shí)間較長(zhǎng)、自燃傾向較大或異常時(shí)，筒倉(cāng)惰化系統(tǒng)開(kāi)始向煤層間斷充氮?dú)?，抑制自燃的發(fā)生。筒倉(cāng)內(nèi)如發(fā)生自燃時(shí)，筒倉(cāng)惰化系統(tǒng)開(kāi)始用氮?dú)庵脫Q筒倉(cāng)上部空間可能爆炸的氣體，同時(shí)鎖住筒倉(cāng)下部出煤口，全方位控制和抑制自燃和爆炸。該工藝設(shè)計(jì)兼具安全防護(hù)及應(yīng)急處置功能，投資小、工藝簡(jiǎn)單，且操作便捷安全，具有廣闊的應(yīng)用前景。