蜂窩型集束式煤倉在火力發(fā)電廠的應(yīng)用

黃國新 朱雷 蔣新強(qiáng)

摘 要：蜂窩型集束式全封閉貯煤場，是具有國際先進(jìn)理念及國內(nèi)一流水平的現(xiàn)代化、自動(dòng)化的儲(chǔ)煤設(shè)施，它有效減少煤塵污染，節(jié)約土地資源，環(huán)保效益明顯。本文主要介紹了蜂窩型集束式煤倉及與之配套的惰化系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)在華能長興電廠的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：蜂窩型集束式煤倉；惰化系統(tǒng)；安全監(jiān)測系統(tǒng)

0 引言

儲(chǔ)煤設(shè)施是燃煤電廠的重要生產(chǎn)設(shè)施，儲(chǔ)煤設(shè)施存煤量的多少以及對于減少損耗、防止自燃、環(huán)保、混煤等方面技術(shù)要求滿足的程度，影響占用流動(dòng)資金的多少，也影響發(fā)電運(yùn)行的穩(wěn)定性。

國內(nèi)大型燃煤電廠主要采用傳統(tǒng)條形煤場、圓形煤場等儲(chǔ)煤方式。蜂窩型集束式煤倉貯煤方式則是以上二種方式以外的新型儲(chǔ)煤技術(shù)。華能長興電廠地處大氣污染防治的重點(diǎn)地區(qū)，環(huán)境保護(hù)要求高，對電廠的節(jié)能和低排放限值要求較高，因此經(jīng)多方論證，采用蜂窩型集束式煤倉作為貯煤場。是國內(nèi)第一家采用蜂窩型集束式煤倉應(yīng)用于大型電廠儲(chǔ)煤的企業(yè)。

1 工程概況

華能長興電廠“上大壓小”工程為異地?cái)U(kuò)建2×660MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，同步建設(shè)煙氣脫硫、脫硝裝置。來煤廠外運(yùn)輸方式為水路船運(yùn)，廠內(nèi)碼頭采用挖入式港池布置，分設(shè)錨地和卸煤碼頭各一個(gè)。卸煤碼頭為1000噸級，提供8個(gè)泊位（包括遠(yuǎn)期擴(kuò)建2個(gè)），安裝6臺(tái)300噸/小時(shí)橋式抓斗卸船機(jī)（預(yù)留2臺(tái)遠(yuǎn)期擴(kuò)建卸船機(jī)位置），年卸煤量330萬噸，可滿足2×660MW超超臨界機(jī)組耗煤量的需求。燃煤由卸船機(jī)卸至卸煤線皮帶機(jī)一路可送至蜂窩型集束式煤倉儲(chǔ)存；另一路直接經(jīng)上倉線將燃煤送至原煤倉。

2 蜂窩型集束式煤倉

2.1 蜂窩型集束式煤倉簡介

華能長興電廠蜂窩型集束式封閉儲(chǔ)煤倉，長208.35米，寬60.45米，煤倉頂面高45m。整個(gè)倉體由48個(gè)正六邊形鋼筋混凝土蜂窩結(jié)構(gòu)的小煤倉組成，呈四行集束排列（每行12個(gè)），形同筒狀。單倉儲(chǔ)量約4000噸，最大可儲(chǔ)存約20萬噸燃煤，可保證2臺(tái)660MW機(jī)組20天的用煤量。蜂窩型集束式煤倉頂部布置四條堆煤皮帶機(jī)，配置44套電動(dòng)雙側(cè)犁煤器作為儲(chǔ)煤倉的配煤機(jī)械。每個(gè)儲(chǔ)煤倉下部配1個(gè)圓形鋼漏斗，漏斗出口布置1臺(tái)活化給煤機(jī)，總計(jì)48臺(tái)。蜂窩型集束式煤倉底部布置四條出料皮帶機(jī)，與活化給煤機(jī)配合使用。

倉內(nèi)儲(chǔ)煤長期存放，會(huì)使煤溫度升高，因煤的導(dǎo)熱系數(shù)較小，熱量向四周擴(kuò)散較慢，熱量聚集在煤堆內(nèi)使煤堆內(nèi)部溫度升高，當(dāng)溫度、可燃?xì)怏w濃度達(dá)到一定數(shù)值后，煤的氧化速度隨著加速，生成熱也隨之大幅增加，甚至可能引發(fā)爆燃等重大事故。為此整個(gè)系統(tǒng)裝備了包括惰化系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、防爆泄壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

本系統(tǒng)48個(gè)儲(chǔ)煤倉共用一套惰化保護(hù)、綜合安全監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)監(jiān)測到危險(xiǎn)信號(hào)，控制系統(tǒng)接收信號(hào)并發(fā)送，惰化系統(tǒng)逐級啟動(dòng)，采用鎖、充、換對蜂窩型集束式煤倉進(jìn)行全方位的惰化保護(hù)，同時(shí)防爆泄壓裝置打開排出可燃?xì)怏w，有效達(dá)到防爆、控爆的效果，延長儲(chǔ)煤的自燃和陰燃周期。整套系統(tǒng)采用全套自動(dòng)（手動(dòng)）控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無人操作。

防爆泄壓系統(tǒng)包括重力式自動(dòng)啟閉防爆門及預(yù)開啟式泄壓門。

控制系統(tǒng)由智能前端、PLC控制柜、計(jì)算機(jī)工控系統(tǒng)組成。同時(shí)，采用各種抗噪聲技術(shù)、包括阻容吸收、光電隔離、高共模抑制比、合理的接地和屏蔽，以防止就地元?dú)饧蚋蓴_而引起誤動(dòng)。制氮、傳感器設(shè)備能在環(huán)境溫度-40℃～300℃，相對濕度10%～95%的環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行，以適應(yīng)輸煤系統(tǒng)惡劣環(huán)境。

2.2 蜂窩型集束式煤倉的運(yùn)行方式

2.2.1 進(jìn)煤運(yùn)行方式

卸煤碼頭布置的卸船機(jī)抓取燃煤經(jīng)卸船機(jī)料斗卸至卸煤皮帶機(jī)送至蜂窩型集束式煤倉儲(chǔ)存。蜂窩型集束式煤倉頂部布置四條堆煤皮帶機(jī)，配置44套電動(dòng)雙側(cè)犁煤器作為儲(chǔ)煤倉的進(jìn)煤機(jī)械。

2.2.2 出煤運(yùn)行方式

每個(gè)蜂窩型集束式煤倉下部配1個(gè)圓形鋼漏斗，漏斗出口布置1臺(tái)活化給煤機(jī)（額定出力200～900噸/小時(shí)），總計(jì)48臺(tái)。蜂窩型集束式煤倉底部布置四條出料皮帶機(jī)，與活化給煤機(jī)配合使用，經(jīng)上倉線皮帶機(jī)將倉內(nèi)燃煤送至原煤倉。

蜂窩型集束式煤倉進(jìn)煤按“同倉同批次”儲(chǔ)存，嚴(yán)禁將設(shè)計(jì)煤種、設(shè)計(jì)混合用褐煤、校核煤種1和校核煤種2置于同一倉內(nèi)。

單一煤種出煤，不考慮摻配，按溫度、存煤時(shí)間、倉位依次出倉，一般采用一臺(tái)給煤機(jī)最大出力運(yùn)行，以縮短單倉存煤周期。

兩煤種同時(shí)出煤時(shí)，配煤摻燒根據(jù)活化給煤機(jī)按1：1分配出力，總出力不大于加倉額定量（1100噸/小時(shí)）。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對活化給煤機(jī)出力進(jìn)行了初步優(yōu)化調(diào)整。目前出力調(diào)整為160噸/小時(shí)至800噸/小時(shí)，這樣既兼顧了單一煤種上倉效率，同時(shí)又滿足兩個(gè)煤種同時(shí)摻配的要求。

3 蜂窩型集束式煤倉惰化系統(tǒng)

目前的研究普遍認(rèn)為：煤氧復(fù)合熱效應(yīng)與溫度、氧氣濃度、煤的粒徑三者相對關(guān)聯(lián)度較大。據(jù)有關(guān)研究資料考證，無論從壓實(shí)煤層降低空氣進(jìn)入煤顆粒間的空隙、還是降低空氣對流速度，都證明控制煤層間的含氧量是抑制煤自燃行之有效的方法。當(dāng)氧含量降低至5%～10%以下時(shí)，可抑制煤炭氧化自燃，氧含量降至3%以下時(shí)，可完全抑制煤炭等可燃物的陰燃和復(fù)燃。因此在抑制煤自燃、燃爆方面，本系統(tǒng)設(shè)置充氮系統(tǒng)和上部通風(fēng)系統(tǒng)。倉內(nèi)充氮?dú)庖罁?jù)DL/T 5203-2005《火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》設(shè)計(jì)氮?dú)舛杌到y(tǒng)，通過向煤層內(nèi)充氮?dú)猓M(jìn)一步地降低煤層中的含氧量。

根據(jù)煤倉特征，惰性氣體緩注系統(tǒng)設(shè)計(jì)“鎖氣、充氣、換氣”裝置，保證氮?dú)饽軌蜃畲蟪潭鹊鼐鶆驖B入煤層，避免氣體溝流情況發(fā)生，每個(gè)煤倉設(shè)計(jì)鎖氣、充氣、換氣管網(wǎng)共6層。

當(dāng)煤倉安全監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到參數(shù)報(bào)警時(shí)，立即啟動(dòng)煤倉惰化保護(hù)系統(tǒng)對煤倉注入惰性氣體，稀釋煤倉內(nèi)可燃易爆氣體和氧氣的濃度，抑制煤的自燃和陰燃，保障煤倉儲(chǔ)煤的安全。

惰化系統(tǒng)控制運(yùn)行策略為：

堆料（加倉）：加倉信號(hào)置1—→啟動(dòng)布袋除塵器；犁煤器信號(hào)置0延時(shí)30s—→停運(yùn)布袋除塵器—→開啟換氣閥充氮?dú)?h—→關(guān)閉換氣閥。

出料（出倉）：出倉信號(hào)置1—→啟動(dòng)活化給煤機(jī)—→開啟鎖閥充氮?dú)狻敝脸鰝}停止（停運(yùn)活化給煤機(jī)）—→關(guān)閉鎖氣閥。

4 綜合安全監(jiān)測系統(tǒng)

蜂窩型集束式煤倉監(jiān)測系統(tǒng)包括溫度監(jiān)測、可燃性氣體監(jiān)測、一氧化碳?xì)怏w監(jiān)測、氧含量（含廊道）監(jiān)測、煙霧監(jiān)測、料位監(jiān)測、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，并采取相應(yīng)保護(hù)措施

4.1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)

煤的自燃要經(jīng)歷多個(gè)不同階段，當(dāng)煤堆煤溫在常溫至60℃時(shí)，煤樣與空氣接觸后，吸附氧生成不穩(wěn)定的氧化物，此時(shí)煤的氧化過程平穩(wěn)而緩慢，氧化放熱量很少，有微量的CO放出；如果煤溫繼續(xù)上升，從60℃上升至80℃，煤的氧化速度加快，水分開始蒸發(fā)，煤中不穩(wěn)定的氧化物開始分解成水以及釋放出CO、CO2氣體。氧化產(chǎn)生的熱量使煤溫繼續(xù)升高，達(dá)到自熱的臨界約為80℃，此階段耗氧量有明顯增加，CO的發(fā)生量也隨溫度上升而逐級增加；當(dāng)煤溫超過自熱的臨界溫度80℃后，煤的氧化進(jìn)程加快，隨著煤溫的升高，開始出現(xiàn)煤的干餾，生成碳?xì)浠衔铩湟约癈O等可燃?xì)怏w；當(dāng)環(huán)境條件能繼續(xù)維持煤氧化自熱的進(jìn)行，則可能使煤溫上升到煤的著火點(diǎn)而導(dǎo)致自燃，因此我們選擇45℃這個(gè)臨界中間點(diǎn)作為中級報(bào)警值，以70℃這個(gè)臨界中間點(diǎn)作為高級報(bào)警值。當(dāng)倉內(nèi)任一溫度測點(diǎn)達(dá)到45℃時(shí)，發(fā)出中級報(bào)警，充氣層開始充氣，以降低煤堆中氧含量，延緩煤的自燃，同時(shí)摻配時(shí)優(yōu)先使用溫度中級報(bào)警的蜂窩型集束式煤倉內(nèi)的存煤，加快消耗進(jìn)度，防止煤的自燃。

蜂窩型集束式煤倉錐斗端面溫度傳感器選用PT100，端面?zhèn)鞲衅髯鶅?nèi)充滿保溫材料防止熱散失。當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成近似勻速的增長。但它們之間的關(guān)系并不是簡單的正比的關(guān)系，而更應(yīng)該趨近于一條拋物線。

每個(gè)筒倉配置4套煤層多點(diǎn)測溫纜式傳感器，采用倉頂懸掛底部自由端安裝方式，伸入筒倉煤層內(nèi)部，48個(gè)筒倉共配置192套。

根據(jù)論文《煤堆自燃原因分析與防治措施》中的研究表明，儲(chǔ)煤倉煤堆可分為3層：冷卻層、氧化層、窒息層。冷卻層為煤堆表層，約0.5～1.5m，松散，雖氧化反應(yīng)，但散熱好，不易自燃；氧化層：位于冷卻層以下，厚度1～4m左右；窒息層：位于氧化層以下，煤層相對壓實(shí)，供氧不充分，且含水率高，氧化程度低，不易發(fā)生自燃。因此儲(chǔ)煤倉煤堆發(fā)生自燃的部位既不在煤堆的表面，也不在煤堆深部，而在煤堆表層1.5m以下。

根據(jù)《煤自燃實(shí)驗(yàn)過程中溫度場的數(shù)值模擬研究》的實(shí)驗(yàn)研究表明，煤炭在自燃自熱的過程中，高溫點(diǎn)一般處于煤堆中部位置，靠近倉壁的位置由于存在熱傳導(dǎo)性，不易產(chǎn)生溫度堆積。所以為了更加全面監(jiān)測筒倉內(nèi)各部位儲(chǔ)煤的溫度，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用煤層多點(diǎn)測溫纜式傳感器來監(jiān)測筒倉內(nèi)煤層溫度。

4.2 可燃?xì)庑泽w監(jiān)測

綜合氣體檢測裝置，對碳?xì)浠衔铮–H4）、CO、O2、煙霧采用抽取式氣體采樣系統(tǒng)。據(jù)相關(guān)研究資料表明，可燃?xì)怏w主要成分為碳?xì)浠衔铮–H4）、氫氣（H2）和一氧化碳（CO），方倉內(nèi)可燃可爆氣體通過在方倉頂部安裝的高精度過濾采樣探頭、經(jīng)采樣泵收集倉內(nèi)氣體由采樣管線至分析箱內(nèi)進(jìn)行分析。

所有監(jiān)測探頭均安裝于分析箱內(nèi)，通過抽氣泵采集樣氣（采樣流速7.3m/s；采樣泵出口壓力2.5bar；采樣泵入口真空度160mbar），采用并聯(lián)式氣體傳輸結(jié)構(gòu)，有效降低作用在傳感器上的流速、壓力，使之測量更精確。裝置還配置有反吹系統(tǒng)，對高精度過濾采樣探頭及管線進(jìn)行反吹，防止采樣探頭堵塞。

儲(chǔ)煤倉頂（底）部皮帶兩側(cè)走廊氧氣、一氧化碳監(jiān)測主要用來保證人身安全，由于倉內(nèi)的氣體有可能泄露，因而對于在煤倉上部及下部廊道從事工作的人員的人身安全尤為重要。缺氧會(huì)導(dǎo)致人窒息，一氧化碳濃度超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致人員中毒。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《QSY1242-2009進(jìn)入受限空間安全管理規(guī)范》要求，受限空間內(nèi)外的氧濃度應(yīng)一致，若不一致，在授權(quán)進(jìn)入受限空間之前，應(yīng)確定偏差的原因，氧濃度應(yīng)保持在19.5%～23.5%。因此，煤倉倉頂部皮帶走廊O2濃度報(bào)警值設(shè)定：19.5%vol；皮帶走廊CO濃度報(bào)警值設(shè)定值：20ppm。

6 蜂窩型集束式煤倉與其他儲(chǔ)煤方式的比較

首先，蜂窩型集束式煤倉的煤場征地面積小、土石方量少、場地利用率高，并且倉壁可公用且單位占地儲(chǔ)煤容量大，布置可以更緊湊并可降低造價(jià)；其次，整個(gè)煤倉處于全封閉結(jié)構(gòu)，存放燃煤不受氣候條件影響，工作時(shí)給料均勻，有效減少篩、碎設(shè)備及落煤管的堵煤現(xiàn)象，以保證廠內(nèi)運(yùn)煤系統(tǒng)能長時(shí)間在額定工況下運(yùn)行；其次，采用的設(shè)備性能先進(jìn)可靠、自動(dòng)化程度較高，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，系統(tǒng)堆料、取料作業(yè)的可靠性提高；再次，封閉式結(jié)構(gòu)避免了煤倉內(nèi)的煤塵外逸污染環(huán)境，具備環(huán)保優(yōu)點(diǎn)；最后，多個(gè)煤倉的運(yùn)行組合方式較多，其設(shè)備的備用率高，運(yùn)行系統(tǒng)更加靈活，可以適應(yīng)混煤工況。

從另一方面來說，首先該類型煤倉的土建及設(shè)備投資巨大，施工期較長，對于高揮發(fā)分煤種需要設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)和惰化保護(hù)設(shè)施，其次每座蜂窩型集束式煤倉邊角的物料流動(dòng)性差，雖然已采取了噴射混凝土，消除死角的措施，還是需要在運(yùn)行中定期采取針對性的檢查，防止搭橋積煤。

7 結(jié)束語

不斷問世的大機(jī)組、大容量電廠對貯煤的要求日益提高，貯煤場正朝著大型化或巨型化的趨勢發(fā)展。蜂窩型集束式煤倉由于其固有的特點(diǎn)，不僅將有助于減小對既定煤源及外部條件的依賴程度，提升煤炭采購便利性、多渠道化，合理控制生產(chǎn)成本，增強(qiáng)電廠的生存能力，并且在環(huán)保方面有著巨大的優(yōu)勢，在電廠的應(yīng)用將越來越廣泛。

華能長興電廠在貯煤方式上進(jìn)行了有益的嘗試和探索，其蜂窩型集束式煤倉自投用以來一直處于安全穩(wěn)定運(yùn)行中，為電廠取得了巨大的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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