黃驊港儲煤筒倉監測系統的研究

摘要：本文主要介紹了黃驊港三期工程筒倉監測系統的研究。

關鍵詞：筒倉；監測；料位檢測；溫度檢測；可燃氣體

一、概述

隨著我國經濟實力的增強，社會發展和環保發展的需要，近年來筒倉儲煤也取得了比較迅猛的發展。工程實踐的數量較多，特別是在煤炭行業中的應用也在逐步推廣，相應的理論研究和設計技術也逐步完善。100多年來，伴隨著社會經濟的發展和科學技術的進步，世界各國筒倉的應用從糧食、建材、冶金、煤炭到電力行業，越來越廣泛，筒倉的規模越建越大，現已達萬t級，應用形式亦有了單倉、群倉等多種組合。可以說，筒倉的設計理論及施工技術都已達到基本成熟的階段。

在我國，電力、煤炭系統儲煤筒倉的應用亦由小到大經歷了近30年的發展，但在港口行業，儲煤筒倉尚處于起步摸索階段。電力、煤炭系統的實踐證明，筒倉儲煤與煤場儲煤相比有諸多優越性。首先，從經濟角度講，筒倉占地面積小，按整體布置考慮，在貯量相等的情況下，筒倉與煤場所用占地面積之比約為1∶3～1∶4。其次，從工藝角度講，筒倉運行方式簡單， 筒倉，作為貯存散狀物料的設施，具有結構簡單、使用方便、保護環境和減少占地等優點。一般認為，筒倉建設的基建和設備投資高于煤場儲煤設施，但如果考慮到近年來土地征用費的大幅度提高、環保方面的要求及筒倉儲煤所具有的良好的工藝性等因素，筒倉的功能、效益(包括社會效益)與投資之比應該是高于煤場儲煤方式的，因此可以預測，筒倉儲煤將是未來專業化煤炭碼頭儲煤設施的一個發展方向。

超大型筒倉的出現，一是由于工藝設備對儲煤容量的要求;二是基于經濟性原因，筒倉的單倉容量越大，其單位貯量的投資越小。但是，筒倉越大，對筒倉的安全性要求也就越高。影響筒倉安全的因素是多方面的，如工藝結構是否科學、運行方式是否合理以及綜合管理是否到位等均是不可忽視的方面。目前，國內各行業的大型及超大型筒倉，尤其是儲煤筒倉在安全方面還存在著一些有待解決的問題，如筒倉儲煤自燃現象普遍存在，甚至筒倉爆炸也時有發生，筒倉的工藝設計存在著弊端，安全監控系統不夠完善等。煤礦系統筒倉的爆炸一般是由于倉內瓦斯(CH4)排放不利，遇火源而引發。而電廠筒倉的儲煤自燃所涉及的因素則是多方面的，其中倉內儲煤的煤種(主要影響因素是揮發分的比率，比率越高，則儲煤的自燃幾率越大)及來煤進倉前在室外存放的時間(室外存放的時間越長，氧化的程度越高，進倉后就越易自燃)等是最基本的因素。同時，儲煤的自燃又與筒倉的工藝結構形式有關。工藝結構形式阻礙煤的流動，則煤易滯留，久之則自燃。電廠儲煤筒倉之所以存在著諸多隱患，究其原因，主要是迄今為止國內不論是單倉還是群倉，其主要功能大都是以緩沖、混煤為主，總容量小，貯存周期短，都未從設計上周密考慮防燃防爆等措施。本文主要對超大型儲煤筒倉在專業化煤炭碼頭應用中的工藝性、安全性和可靠性等問題進行了研究。

二、筒倉監測系統的主要研究內容

（一） 筒倉安全監測系統

1、筒倉內連續料位監測方式及與倉底出料口輪換的分析研究

倉底兩條皮帶機的工作輪換：在混配煤作業時，因為配煤比例的不同，CCR通過倉底活化給料機控制每個筒倉出料口的出料能力。為預防各出料口不均造成的筒倉料位不平衡，當單條皮帶機運行時，根據作業筒倉皮帶機后的皮帶稱預設定值，在兩條皮帶機間自動切換工作；利用料位測量裝置檢測筒倉內煤位的不平衡，當出現不平衡時自動切換至另一條皮帶機工作，料位檢測的聯鎖切換高于皮帶稱的聯鎖切換。

倉底單條皮帶機下三個出料口的工作輪換：在混配煤作業時，因為配煤比例的不同，CCR通過倉底活化給料機控制每個筒倉出料口的出料能力。為預防單條皮帶機3個出料口出料不均造成的筒倉料位不平衡，當單條皮帶機少于3個同時工作時，3個出料口應定時輪換。

料位測量裝置：每個筒倉設置六套雷達式料位計并與六個出料口相對應，連續料位測量時，監控管理系統將根據進出料點的變化修正測量結果；每個筒倉設置二套電容式高料位檢測開關（設于筒倉上部中間兩個布料口側）并與進煤皮帶輸送機連鎖以保證進倉作業的連鎖運行，高料位檢測開關設置于筒倉入料口以下1m；每個筒倉設置六套電容式低料位檢測開關（設于筒倉底部各出料口）并與出煤皮帶輸送機連鎖以保證出倉作業的連鎖運行，低料位檢測開關設置時根據筒倉墊底煤層高度確定；雷達式料位計和電容式料位檢測開關通過數據通訊（PROFIBUS-DP）與CCR PLC傳送相關數據。

2、筒倉內連續式溫度監測方式的分析研究

系統功能簡介：測溫元件鋪設在煤倉內部進行工作，測溫元件是一種能夠探測一條連續路線上存在的最高溫度的線狀溫度傳感器，應用工業監控技術可以確定最高溫度出現的位置，它與普通熱電偶不同之處在于它的熱接點不固定，而是始終與電纜上的最高溫度相對應。本方案測量元件利用熱電效應，能夠連續產生與其長度所及范圍內之最高溫度相對應的毫伏信號，可用來連續探測監控區域的最高溫度。使用現場測控單元接入系統，對煤倉內的各溫區溫度進行實時監測。

測溫電纜又稱“連續”熱電偶或“尋熱”熱電偶，它利用熱電效應原理能夠在其長度所及范圍內產生與最高溫度相對應的毫伏信號。它與普通熱電偶不同之處在于它的熱接點不固定，而是始終與線纜上的最高溫度相對應。當線纜上任何一點（T1）的溫度高于其它部分的溫度時，該處的熱電偶導線之間的絕緣電阻（R）降低 ，導致出現“臨時”熱電偶接頭，其作用與常規單接點熱電偶接頭相同，當線纜上另外一點（T2）的溫度高于（T1）點時，該處的熱電偶導線之間的絕緣電阻會變的低于（T1）點的電阻，導致出現新的“臨時”熱電偶接頭。以下為測溫電纜工作原理圖。

溫度測量系統由設在中控室的計算機、筒倉內的測溫電纜CT2C（每個筒倉分為四個溫度檢測區域并均勻設置4根測溫電纜，CT2C穿鋼管沿倉壁敷設或用鋼絲固定沿區域中間垂下并底部重錘固定）、通訊板和其它配件組成，其組成為：4線x8倉x4點；在每個筒倉壁下部及底部布置12個鉑熱電阻測溫點，測點深入筒倉內的深度應不小于250mm，測溫范圍應達到-20℃～+240℃，測點精度為Ⅰ級；計算機將從每個測溫點巡檢并讀出數據，實時顯示筒倉溫度，設定溫度超限報警值，其信號傳輸給監控管理系統；當溫度超限后可將煤炭外運或啟動惰化系統。

系統控制主機軟件功能：主畫面為煤倉布置情況、各區域的溫度情況及報警情況；區域溫度超限(溫度上限及溫升速率上限) 自動報警功能；有實時趨勢顯示功能。實時趨勢曲線可以分析各區域溫度實時及歷史變化情況及趨勢。(包括溫度超限分析、溫度趨勢分析、溫升速率超限分析)；方便、快捷的報警溫度設置功能；歷史數據的存儲。

3、筒倉內可燃氣體在線監測方式的分析研究

可燃氣體濃度測量系統采用可燃氣體濃度紅外檢測和可燃氣體濃度氣體采樣檢測倆種方式。主要包括對一氧化碳CO、甲烷CH4、乙烯C2H4、乙烷C2H6和丙烷CH3CH2CH3等復合濃度進行檢測。

(1)可燃氣體濃度紅外檢測

檢測范圍為對現場4線，每線8個倉進行可燃氣體氣體檢測，每個倉上設置一個檢測點；實現方式為使用紅外探頭對現場的可燃氣進行檢測，并將數據通過RS485modbus RTU總線傳輸至PLC。由于NIMBUS檢測探頭采用先進的紅外吸收式原理，具有檢測精度高，響應時間快，抗中毒，使用壽命長，免維護（平均無故障時間長達7年）等優勢，具有溫度補償功能，可通過專用軟件遠程對探頭進行配置，維護和故障診斷，而總線傳輸方式具有節省電纜，節省I/O的成本優勢。

(2)可燃氣體濃度氣體采樣檢測

在每個筒倉內頂部設置2個固定式現場采氣頭；每8個倉為一線共16個固定式現場采氣頭作在線巡檢分析；共為4線；現場采氣頭采集出來的氣體通過管路及閥組被引至氣體分析系統，逐個進行分析(分析完后自動對管道進行反吹)，每個采集點都得到CO、CH4、C2H4、C2H6和CH3CH2CH3復合濃度的數據，計算出復合濃度和鏈烷比，并且示出最高值。

氣體采樣系統可以使用在極其惡劣的環境中(例如潮濕，高溫，高粉塵，空間狹小，爐體內部等環境），用以檢測各種有毒有害氣體或可燃性氣體。它具有設計靈活，使用簡便，實時檢測，反應迅速，維護量小等特點，能最大程度滿足現場的各種要求。

每條線由1套在線氣體分析系統、16套獨立的采樣回路和巡檢切換裝置組成，系統包括各種采樣部件如降溫裝置、過濾裝置（除塵除水裝置）、流量計和流量控制單元、泵、傳感器、變送器、控制器等。采樣管接入采樣系統后：首先樣氣將通過降溫裝置冷卻后進入過濾裝置除水除塵，如果粉塵較多，可以選擇二次過濾甚至三次過濾；然后樣氣會進入流量檢測系統，一旦發生流量故障可輸出4-20m電流或開關量報警信號至控制器，由控制器發出報警；之后氣體會通過強力采樣泵進入流量計，通過流量計將流量控制在1升/分鐘以下后進入傳感器室（可以多達4個傳感器，檢測4種不同氣體）中進行檢測；最后變送器將傳感器的信號轉化為4-20mA信號并傳送到控制器上顯示出來并通過控制器上的RS485modbus RTU接口將信號進行遠傳；通過校準和吹空管線，對系統進行定期校準和吹空；整個系統的電磁閥通過一個獨立的控制器按照事先的編程進行控制。

循環采樣系統通過一臺工控機對電磁閥進行控制，來實現每個采樣通道的通斷，從而進行循環順序采樣。用戶可以通過專用采樣軟件對采樣順序，周期進行控制；同時為了避免采樣周期過長，系統還配備了一個備用采樣泵，可以在主泵工作的同時，采集下一個采樣點的氣體，大大縮短了采樣時間；每個采樣點切換時，系統自動對采樣回路內進行吹掃，避免了交叉反應。

4、筒倉內煙霧濃度監測方式的分析研究

煙霧濃度測量裝置：在每個筒倉上部頂板上設置2套煙霧濃度測量裝置，其煙霧濃度測量裝置報警信號傳輸給監控管理系統；煙霧濃度報警值為Ⅰ級、危險值為Ⅲ級，其定義根據GB4715《點型感煙火災探測器技術要求及實驗方法》中規定；當煙霧濃度測量裝置報警后可將煤炭外運或啟動惰化系統。

（二）筒倉的安全設施

1、根據煤炭的種類、燃燒特性、儲存時間確定需注入惰性氣體的筒倉數量和濃度分析研究

根據現行國家設計規范規定，高揮發分易自燃煤種，按照國家煤炭分類，干燥無灰基揮發分大于37%的長煙煤屬高揮發分易自燃煤種。對于干燥無灰基揮發分為28%～37%的煙煤，實際使用中因其具有自燃性亦應視作高揮發分易自燃煤種。

煤炭的自燃主要經歷水分蒸發、氧化、自燃三個階段。對煤筒倉而言，儲煤被空氣中的氧氣氧化是其自燃的根本原因。煤中的碳、氫等元素在常溫下就會發生反應，生成可燃物CO、甲烷及其它可燃氣體。

儲煤自燃的影響因素主要包括：供氧條件和氧化程度、煤對空氣中流態氧的吸附能力、環境溫度、存放時間等。

根據試驗數據表明，當空氣中氧濃度由正常含量20.9%降至16.0%時，火就不能燃起，即使有火種投入也會立即熄滅，所以煤筒倉防煤炭自燃的關鍵在于降低氧的濃度。

為防止筒倉內煤炭長期堆存產生自燃，在倉內設置惰性氣體系統，并與筒倉內安全監測系統聯動，將筒倉內空氣混合物中的氧含量（氧的體積份額）控制在不大于12%，以抑制筒倉內煤炭陰燃或自燃。

根據陜西錦界國華電廠、神華大柳塔礦區現場調研結果，神華煤炭在筒倉內儲存期，最長不超過7天，基本沒有發生過自燃現象。因此，當港口煤筒倉儲煤時間不超過7天且筒倉內安全監測系統未發生異常報警情況下，無需啟動惰性氣體系統。

惰性氣體系統由惰性氣體供應裝置、控制組件和供氣管道組成。惰性氣體供應裝置用于儲備惰性氣體并向防護區注入惰性氣體，以降低保護區內的易爆粉塵、可燃氣體及氧氣濃度。惰性氣體系統與筒倉安全監測系統聯動，根據安全監測系統的溫度測量裝置、煙霧濃度測量裝置、可燃氣體濃度測量裝置的報警級別，在有CO出現，煤溫升到70～100℃，已經有自燃傾向時啟動惰性氣體系統。

2、確定惰性氣體注入口的位置

煤暴露于空氣中，表面與空氣充分接觸，同時空氣通過煤塊之間的間隙滲透到煤堆內部，給煤堆內部氧化創造了條件。因此，煤筒倉內煤層表面至筒倉頂板、儲煤區、筒倉底部出料口處均應設置惰性氣體注入裝置。

3、保證筒倉內惰性氣體的濃度及封閉措施研究

筒倉頂板上安裝伸縮式充氣裝置，將惰性氣體充入筒倉中，置換出煤層表面的可燃性氣體和空氣；環繞筒倉壁墻預埋充氣組件，向煤層中充入惰性氣體，排除出煤層中的可燃性氣體和空氣；在筒倉底部設置鎖氣組件，向卸煤口處充入惰性氣體，鎖住卸煤口。

筒倉內惰性氣體充填系統應與筒倉內安全監測系統、通風系統聯動，并設置噴射報警信號和延遲噴射裝置，已避免對現場人員造成傷害。

三、 結語

專業化煤炭碼頭由于運量要求，必然采用超大型化儲煤筒倉。黃驊港三期工程設計年裝船能力為5000萬噸，共擬建筒倉4排6列共24個，筒倉結構高度43m、筒倉內徑40m，單倉容量3萬噸，近期倉容量72萬噸。筒倉越大，對筒倉的安全性要求也就越高。特別是港口行業的儲煤筒倉，它的安全性能關系著整個專業化煤炭碼頭的安全運行。本文對筒倉的監測系統及安全設施進行了研究，包括料位檢測、溫度檢測、可燃氣體監測、惰性氣體的充填等，為煤炭碼頭儲煤筒倉的建設提供了可借鑒的思路。