自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)在圓形煤場(chǎng)中的應(yīng)用

孟 萌

（中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071）

近年來(lái)，圓形煤場(chǎng)發(fā)展成為火力發(fā)電、煤化工等行業(yè)中1種新型的儲(chǔ)配煤形式。全封閉式圓形煤場(chǎng)因其自身結(jié)構(gòu)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，避免了火力發(fā)電廠、煤化工企業(yè)在配煤過(guò)程中，煤粉顆粒對(duì)周?chē)h(huán)境造成的粉塵污染，同時(shí)解決了惡劣天氣對(duì)儲(chǔ)煤造成的不利影響，圓形煤場(chǎng)內(nèi)部工作面見(jiàn)圖1。

圖1 圓形煤場(chǎng)立面圖

全封閉式圓形煤場(chǎng)雖然因其形式上的優(yōu)越性受到推廣，但在運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中也存在著很多安全生產(chǎn)問(wèn)題。文中從溫度檢測(cè)系統(tǒng)、危險(xiǎn)氣體及粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)、盤(pán)煤儀檢測(cè)系統(tǒng)3個(gè)方面闡述自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)在圓形煤場(chǎng)運(yùn)行生產(chǎn)中的應(yīng)用。

1 溫度檢測(cè)系統(tǒng)

圓形煤場(chǎng)最突出的安全隱患是煤炭自燃。煤與空氣接觸時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)并放出熱量。煤堆表面較松散，與空氣充分接觸時(shí)，雖發(fā)生氧化反應(yīng)，但因散熱條件良好，所以煤堆溫度不易持續(xù)升高。在煤堆中層，空氣會(huì)通過(guò)煤塊間隙滲透進(jìn)去，給煤堆內(nèi)部氧化創(chuàng)造條件［1］。煤炭發(fā)生氧化反應(yīng)后使煤堆的溫度升高，如散熱不良便會(huì)加速煤的氧化速度。依此惡性循環(huán)，煤堆的溫度會(huì)越來(lái)越高，當(dāng)溫度超過(guò)煤的自燃點(diǎn)時(shí)就引起自燃。

根據(jù)煤的自燃原理可知，預(yù)防煤塊或煤粉顆粒自燃最直接的手段是溫度檢測(cè)。基于圓形煤場(chǎng)的工作模式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，溫度檢測(cè)可分為2個(gè)部分。（1）對(duì)煤堆采用紅外熱像儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)；（2）對(duì)擋煤墻內(nèi)壁采用溫度傳感器進(jìn)行測(cè)溫。

1.1 煤場(chǎng)紅外測(cè)溫系統(tǒng)

紅外測(cè)溫系統(tǒng)包括紅外掃描熱像儀和云臺(tái)。搭載云臺(tái)的若干臺(tái)熱像儀均布在煤場(chǎng)穹頂周?chē)鷺?gòu)架上，具體設(shè)置的數(shù)量根據(jù)煤場(chǎng)大小而定，各熱像儀掃描面積應(yīng)能覆蓋整個(gè)圓形煤場(chǎng)。煤場(chǎng)內(nèi)所有熱像儀接入交換機(jī)后，與控制室上位機(jī)組成局域網(wǎng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程查看及操作。紅外熱像儀利用熱分析成像技術(shù)、圖像處理技術(shù)、云臺(tái)控制技術(shù)、嵌入式控制以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等綜合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圓形煤場(chǎng)全覆蓋測(cè)溫，系統(tǒng)具有自燃準(zhǔn)確定位、實(shí)時(shí)高效預(yù)報(bào)警、遠(yuǎn)程預(yù)報(bào)警發(fā)布、災(zāi)后數(shù)據(jù)分析等功能，其組織架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 紅外測(cè)溫系統(tǒng)組織架構(gòu)

紅外測(cè)溫系統(tǒng)采用非接觸方式，自動(dòng)連續(xù)獲取監(jiān)控對(duì)象所有點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)置的智能算法搜索并識(shí)別疑似火情，包括火情隱患階段，實(shí)現(xiàn)早期預(yù)、報(bào)警。紅外測(cè)溫系統(tǒng)方便控制中心進(jìn)行火警遠(yuǎn)程快速確認(rèn)，避免現(xiàn)場(chǎng)巡檢確認(rèn)延誤消防時(shí)機(jī)?；饒?chǎng)實(shí)況實(shí)時(shí)上傳，也為快速滅火提供更多解決方案依據(jù)。

1.2 擋煤墻測(cè)溫系統(tǒng)

煤場(chǎng)利用堆取料機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)配煤操作，堆料機(jī)圍繞中心立柱360°旋轉(zhuǎn)在其周?chē)纬啥鄠€(gè)圓錐形煤堆，煤堆外圈緊貼擋煤墻內(nèi)壁。由于取料機(jī)的機(jī)臂遠(yuǎn)端與擋煤墻之間有一定距離，靠近擋煤墻的煤不易取出，且煤粉顆粒易在墻壁上結(jié)塊，導(dǎo)致?lián)趺簤Ω浇邢虏康拿憾逊e易產(chǎn)生自燃現(xiàn)象。

擋煤墻溫度測(cè)量一般按圓形煤場(chǎng)中心放射每10°或以上分2層或多層設(shè)置溫度傳感器，具體可根據(jù)煤場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)傳感器布置方案進(jìn)行優(yōu)化。文中介紹的擋煤墻溫度傳感器采用的是熱電阻形式的測(cè)量元件，主要測(cè)點(diǎn)在煤堆積易產(chǎn)生自然的擋煤墻中下部。測(cè)溫方式可選用單點(diǎn)熱電阻，在各層各角度測(cè)溫點(diǎn)由擋煤墻外部插入。當(dāng)擋煤墻溫度測(cè)點(diǎn)需求較多時(shí)，也可選用多點(diǎn)熱電阻沿?fù)趺簤?nèi)壁垂直敷設(shè)，則可測(cè)量同一角度多層溫度測(cè)點(diǎn)。溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)可通過(guò)配備數(shù)據(jù)采集模塊的就地?cái)?shù)據(jù)采集箱，實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)值采集及傳輸；也可直接上傳熱電阻信號(hào)至控制室，在控制室進(jìn)行溫度信號(hào)的變送及采集。煤的著火點(diǎn)雖然在300～350℃，但氧化放熱達(dá)到70～80℃時(shí)，煤溫升高速度會(huì)驟然增加，故擋煤墻溫度在控制系統(tǒng)的報(bào)警值可設(shè)定在70℃。

2 危險(xiǎn)氣體及粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)

煤在采集運(yùn)輸過(guò)程中容易產(chǎn)生粉塵并懸浮在空中，其中還有煤塵在碳化過(guò)程中產(chǎn)生的甲烷等可燃性氣體，還會(huì)混雜有害氣體CO。當(dāng)煤塵積聚濃度達(dá)到一定量級(jí)，即可能發(fā)生著火或爆炸。而當(dāng)煤塵中含有可燃性氣體時(shí)，其爆炸下限濃度顯著下降，同時(shí)爆炸的危險(xiǎn)性也陡然增加［2］。

根據(jù)以上分析可知，為保證安全生產(chǎn)，封閉式圓形煤場(chǎng)需要布置可燃?xì)怏w檢測(cè)器、CO檢測(cè)器、O2檢測(cè)器及粉塵濃度檢測(cè)器。

由于甲烷等可燃性氣體比空氣輕，易于在封閉空間上方進(jìn)行積聚，所以可燃?xì)怏w檢測(cè)器一般布置在排氣流集中的煤場(chǎng)上部。粉塵濃度檢測(cè)器主要布置在容易揚(yáng)塵、積塵的位置，如在帶式輸送機(jī)棧橋、圓形煤場(chǎng)擋煤墻頂部等。

圓形煤場(chǎng)內(nèi)各類(lèi)氣體粉塵檢測(cè)器可盡量靠近擋煤墻頂部馬道安裝，便于電纜走線規(guī)劃以及儀表維護(hù)及檢修。此外，堆取料機(jī)司機(jī)室也要安裝可燃?xì)怏w檢測(cè)器、CO檢測(cè)器、O2檢測(cè)器及粉塵濃度檢測(cè)器，以確保堆取料機(jī)司機(jī)安全［3］。在司機(jī)室外及圓形煤場(chǎng)主要進(jìn)出口設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警器，幫助現(xiàn)場(chǎng)巡檢及操作人員提前感知檢測(cè)器報(bào)警，提示其遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域。

同樣，各氣體濃度信號(hào)、粉塵濃度信號(hào)可分別直接上傳至控制室內(nèi)的可燃及有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)（GDS）、分散控制系統(tǒng)（DCS），也可采用在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置數(shù)據(jù)采集箱的方式［4］。操作人員可通過(guò)控制室內(nèi)的系統(tǒng)人機(jī)界面及時(shí)了解各檢測(cè)器的濃度數(shù)據(jù)及報(bào)警情況，以保證現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)及人員的安全。

3 盤(pán)煤儀檢測(cè)系統(tǒng)

圓形煤場(chǎng)內(nèi)存煤的分布及存量管理直接影響著煤的采購(gòu)計(jì)劃和后續(xù)使用情況。盤(pán)煤儀利用高精度激光對(duì)煤場(chǎng)表面進(jìn)行掃描采集，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理煤堆輪廓數(shù)據(jù)，重建出煤場(chǎng)的三維圖形，進(jìn)而計(jì)算出煤堆的體積等信息。盤(pán)煤儀全自動(dòng)激光測(cè)量盤(pán)庫(kù)系統(tǒng)分布式的建設(shè)，將煤場(chǎng)內(nèi)存煤情況進(jìn)行完整的展現(xiàn)，操作人員可以直觀掌握儲(chǔ)煤狀態(tài)，為生產(chǎn)作業(yè)提供決策支持。

搭載云臺(tái)的盤(pán)煤儀也是均布在圓形煤場(chǎng)上部，具體設(shè)置的數(shù)量根據(jù)煤場(chǎng)大小而定。為取得更好的檢測(cè)視角，盤(pán)煤儀的安裝高度應(yīng)明顯高于紅外熱像設(shè)備的安裝高度，如安裝在穹頂網(wǎng)架的中上部。盤(pán)煤系統(tǒng)的組織架構(gòu)及接線形式與紅外測(cè)溫系統(tǒng)相似，也是基于網(wǎng)絡(luò)傳輸方式進(jìn)行上位機(jī)系統(tǒng)與各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的互聯(lián)及控制［5］。

盤(pán)煤儀應(yīng)滿足在高濃度粉塵、設(shè)備振動(dòng)大、通風(fēng)條件較差、高潮濕等環(huán)境要求。系統(tǒng)要求采用精細(xì)算法，當(dāng)1個(gè)煤場(chǎng)有幾種不同種類(lèi)的堆料時(shí)，能夠單獨(dú)計(jì)算出每堆的體積。系統(tǒng)具有分割功能，能夠1次測(cè)完全場(chǎng)的所有堆料后，根據(jù)分割線的位置將圖形上的料堆進(jìn)行分割計(jì)算，計(jì)算出不同堆料各自的體積，并在三維圖形上用顏色區(qū)分開(kāi)來(lái)，見(jiàn)圖3。

圖3 盤(pán)煤儀三維圖形監(jiān)視畫(huà)面

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以全封閉式圓形煤場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作模式為出發(fā)點(diǎn)，分析了煤場(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在的安全隱患，解釋了存煤自燃及煤塵爆炸的原因。闡明溫度檢測(cè)系統(tǒng)、危險(xiǎn)氣體及粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)、盤(pán)煤儀檢測(cè)系統(tǒng)等自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置對(duì)于圓形煤場(chǎng)的安全平穩(wěn)生產(chǎn)，保護(hù)人員生命及財(cái)產(chǎn)安全等具有重要意義。