圓形煤場防自燃監測系統設計

張春光，李 波，歐陽興東，何楚峰，宋振霆

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

圓形煤場防自燃監測系統設計

張春光1，李 波1，歐陽興東1，何楚峰1，宋振霆2

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

隨著環保要求的不斷提高，不少火電廠開始用圓形煤場來替代條形露天式煤場。兩者相比，圓形煤場擁有存煤時間長、環境污染小等優點。但是，圓形煤場中的煤長期貯存容易自燃，不僅有可能燒毀圓形煤場的建筑結構，還可能損失儲存的煤炭資源。因此，通常情況下，圓形煤場會采取一系列有效的消防措施或監測系統來預防煤堆的氧化自燃。簡要闡述了圓形煤場的性能特點和煤場內易發生自燃的區域，在此基礎上選用合適的傳感器，通過布置合理的探測點全面監測煤場內部情況。運用LabVIEW編制控制軟件，能夠顯示數據和圖表。將傳感器布置在圓形煤場內實時監測數據，并將其送往下位機電路進行數模轉換和報警判斷，然后在上位機界面安裝數據與圖表顯示的火電廠圓形煤場防自燃監測系統。

圓形煤場；防自燃監測系統；傳感器；電路設計

1 背景及意義

隨著電力工業的迅速發展，火電廠單機容量逐漸向高參數、大機組的方向發展。因此，為了確保機組燃煤需求，火電廠燃煤貯存規模也逐步向大容量發展。封閉圓形煤場的出現改變了傳統露天條形煤場占地面積大、嚴重污染環境等問題[1-2]。由于封閉圓形煤場有諸多優點，比如占地面積小、場地利用率高、環境污染小、程控水平高、配備技術先進等，得以廣泛運用。但是，與其優點相對，其缺點也十分明顯，其中，最突出的就是封閉空間內煤堆極易因氧化還原反應而發生自燃。煤場一旦發生自燃現象，不但會使大量儲煤被燒掉，造成浪費，還會嚴重破壞附近的煤場設備和建筑，威脅技術工作人員及相關人員的生命安全。因此，煤場往往需要配置完整、全面的安全監測與保護設備來保證圓形煤場設備的安全、可靠運行，同時，研究煤場的防自燃問題，在圓形煤場布置合理、全面的防自燃監測系統是極其重要的。這樣做，可以有效監測圓形煤場內的溫度、氣體濃度等，發現險情時及時報警通知相關工作人員，而且還能夠幫助工作人員全面、準確地了解煤場內部的情況。

2 防自燃監測系統的方案設計

相關人員研究現有的火電廠煤場防自燃監測系統，發現其擁有較高的精度，且更高抗干擾性的分布式光纖測溫系統的成本也高，平時維護需要的各類費用與人工也相對較多[3]；相反，運用無線或有線傳輸方式的測溫系統，例如紅外熱成像監測系統，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更加低廉、簡便，相對來說更適用于各個火電廠的煤場。在此基礎上，要想提高測溫系統的精確度，就要在布置傳感器位置、編輯上位機軟件方面下功夫。

本文設計的圓形煤場防自燃監測系統合理布置各類傳感器，全面監測煤場內部各類能導致煤堆自燃的因素，并通過上位機進行有效數據查看和報警提醒來防止圓形煤場發生自燃。在此過程中，運用單片機和傳感器進行下位機的硬件設計，用LabVIEW進行上位機軟件編制，以構成一個完整的監測系統。

2.1 圓形煤場的性能特點

圓形煤場具有以下幾個特點：①煤場場地利用率高，占地面積小，相對煤儲量大。②設備技術先進，自動化程度高，堆取作業可通過控制室程序控制，方便工作人員技術操作。③遵循先進先出的堆取作業原則，減少舊煤剩余量，能在一定程度上防止煤堆自燃的情況發生[4]。④封閉程度高，在減少粉塵對外部環境污染的同時，也降低了外部環境，比如天氣、風雨對煤堆儲存造成的不利影響。⑤造價與普通露天煤場相比較昂貴，且技術要求高。對儲存煤質煤種的要求高，如果不能及時通風，會導致煤場內可燃氣體濃度急劇升高，引發自燃。

2.2 主要測量位置的確定

對于儲存在煤場的煤堆，不同區域，周邊溫度、濕度和空氣的接觸面與該區域煤質的不同，其引發自燃的概率也是不同的。因此，在設計監測系統時，也需要關注不同的區域。

2.2.1 煤堆底層的周邊容易發生自燃

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，容易發生自燃。煤炭落地時會因為離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區。

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，易發生完全氧化反應，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，會發生不完全氧化還原反應，生成硫磺。氧化反應會放出大量熱，又因為處于煤層內不易散發熱量，從而使煤堆的溫度不斷升高，進而導致自燃。

2.2.2 煤堆的交匯處易發生自燃

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種不同煤質的煤堆相交匯，會使得此區域成為一個氧氣充足、熱量擴散快的自燃高發區。

2.2.3 煤堆的斷面疏松區易發生自燃

在堆放、存儲煤炭的過程中，往往會因為各種各樣的原因出現密集度不同的疏松區和密實區。通常情況下，密實區是由顆粒度比較小的煤塊積壓在一起造成的，疏松區則集中了大量塊狀物。一般情況下，疏松區的孔隙率比較大，擁有較好的供氧條件，因此，與密實區相比更易引發自燃[5]。

對于整個圓形煤場而言，較大的占地面積與廣闊的內部空間使得監測系統難以同時做到全面覆蓋與精確監測。但兩者對監測系統都十分重要，全面的監測有利于工作人員及時掌握整個煤場的總體情況，精確監測則能夠針對事故多發區域。因此，本文設計的防自燃監測系統在對整個圓形煤場進行整體監測的同時，也對以上煤場中煤堆自燃多發區域進行重點監測。

3 監測系統的硬件電路設計

在圓形煤場中布置傳感器時，先要確定圓形煤場的基本規格。因此，以直徑為120 m，高65 m，面積為22 620 m2，側墻高15 m，可儲煤1.3×105t的圓形煤場為例，設計硬件電路。

3.1 溫度傳感器的布置

橫向上，在圓形煤場0°～300°范圍內，沿內壁每隔50°安裝1個溫度傳感器，共6個；縱向上，從側墻底部開始，每隔2 m向上安裝1個溫度傳感器，共7個。同時，在堆取料機中心柱上每隔120°安裝1臺線式紅外測溫儀，共3臺。這樣布置安裝能夠全面監測煤堆表層溫度，并兼顧到整個圓形煤場，一旦其中某個傳感器測得的溫度超過40℃的警戒值，工作人員收到報警后也可以根據報警位置快速確定事故發生區域。

3.2 可燃氣體檢測器的安裝布置

在平時裝卸煤的工作中，儲放在煤場內的煤往往會受到各種擠壓，摩擦而使煤塊粉碎破裂，這使得煤塊中含有的微量可燃氣體逐漸被放出。當大量的可燃氣體積聚在煤場內部時，極易導致煤堆自燃。因為可燃氣體（本設計重點關注一氧化碳和甲烷）與空氣相比較輕，所以，要重點監測煤場的上半部分和通風排氣口，具體布置如下。

3.2.1 固定點

在高30 m的半圓形鋼網架處，繞煤場一周均勻布置8個氣體檢測探頭，用于監測圓形煤場上部可燃氣體的濃度。

3.2.2 動態點

在中心鋼柱外伸的懸臂一側，離中心柱從遠到近均勻布置4個氣體檢測探頭，使其能夠做動態監測，與固定監測點互補。

3.3 粉塵濃度檢測器的安裝布置

煤炭堆存于圓形煤場時，由于卸煤、輸送等機構的動作會使煤塵大量揚起，又因為煤場內的空間相對封閉，導致懸浮在空氣中的煤塵濃度不斷增大，且當圓形煤場內部溫度足夠高時，有可能引起煤塵爆炸。因此，為了能夠全面監測粉塵情況，本設計采取以下布置方式。

3.3.1 固定點

在圓形煤場半圓形鋼網架的底部，環繞煤場一周均勻布置8個激光粉塵檢測探頭，全面檢測整個圓形煤場。

3.3.2 動態點

在中心柱堆料機外伸懸臂的下方，離中心柱從遠到近均勻安裝布置4個激光粉塵檢測探頭。當懸臂工作時，探頭能夠隨著懸臂動作而改變監測位置，做到動態監測，同時，與固定點形成互補，確保做到全面、準確的監測。

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，并進行數模轉換；②將接收到的電壓值分別轉換成對應的溫度、濃度值；③將轉換后的值與設定好的警戒值進行比較；④當檢測值大于設定值時，蜂鳴器響，對應的報警燈閃爍。

圖1 電路流程圖

4 監測系統的軟件設計

一般情況下，上位機是一個系統內起到顯示和控制作用的主機。上位機發送信號給下位機，下位機再對各設備進行具體控制，然后反饋信息給上位機。本設計運用LabVIEW2014軟件來進行上位機的程序設計，主要實現的功能有：下位機通過串口向上位機傳輸數據，煤場內溫度、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，超過警戒值后報警等。通過VISA，可以傳輸數據，再用字符串轉數值的控件將數據格式轉換為數值，通過數值顯示控件顯示出來，或用波形圖進行趨勢描繪。另外，將數值與設定警戒值進行比較，判斷是否需要點亮布爾燈以報警。檢測系統上位機界面如圖2所示。

圖2 檢測系統上位機界面

5 總結

本文設計的圓形煤場防自燃監測系統選擇PT100鉑電阻溫度傳感器、光散射粉塵檢測儀、催化燃燒式氣體檢測儀等作為安裝在圓形煤場內部的檢測裝置，通過Proteus仿真軟件，利用AT89C51單片機、ADC0809、3個LED燈、3個滑動變阻器和1個蜂鳴器進行預警電路的仿真設計，從而實現對3個不同輸出信號的數模轉換，并與設定值進行比較，判斷是否需要蜂鳴器與報警燈發出報警動作，同時，還可以通過不同報警燈閃爍來判斷到底是哪個輸出信號超過限定值。在軟件部分，使用LabVIEW軟件編制上位機軟件，并設計用戶界面。通過此界面，用戶可以從波形圖表中看到較為全面的監測數據。

［1］艾至偉.燃煤電廠貯煤系統防塵技術研究［D］.北京：華北電力大學，2014.

［2］黃國斌.封閉式圓形煤場貯煤防自燃探討［J］.中國高新技術企業，2010（19）：185-186

［3］白永強.分布式光纖測溫技術在煤倉溫度監測系統的應用［J］.煤礦現代化，2013（5）：85-86.

［4］劉冰.淺析圓形煤場的消防措施［J］.中國電力教育，2011（8）：147.

［5］韓宏彬.火電廠煤場自燃的形成特征及防控方法［J］.中國電力，2013，46（4）：98-103.

TD75；TP274

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.057

2095－6835（2018）01－0057－03

〔編輯：白潔〕