儲煤筒倉內煤體溫度分布規律實驗研究

尹新偉1，趙國慶1，王聖齊，趙彥彬1，李亞超1，李建強

(1.大唐環境產業集團股份有限公司 機械輸送事業部，北京 100089；2.華北電力大學能源動力與機械工程學院，保定 071003)

0 引 言

近年來，筒倉儲煤因其占地面積小、場地利用率高、煤倉容積有效利用率高以及環保優勢明顯而被電廠廣泛使用。但也存在一些問題，由于煤本身的性質以及儲煤筒倉的煙囪效應造成儲煤自燃，進而引起大面積著火，導致筒倉爆炸事故。目前，了解煤自燃過程中溫度分布的方法主要有3種：(1)實驗方法，針對性較強，測得的數據較為準確可靠。(2)在大量實驗的基礎上，通過分析總結出經驗公式，根據實際情況具體問題具體分析。此方法用起來較為簡單，但是，所計算出來的結果精度較差，具有一定的局限性。(3)根據傳熱學基本理論，結合實際煤自燃發生的一些特定條件，建立相應的模型并求解，得出整個松散煤體的溫度分布規律，再根據實驗測試結果和模擬結果相互驗證，使得出的溫度場更精準。此方法優點是適應性強，計算結果較為準確，但計算過程復雜。

文中通過搭建儲煤筒倉，布置溫度傳感器，利用人工模擬熱源，分析熱源強度、時間、距離等因素對溫度場的影響。研究結果能夠對電站儲煤提供一定的參考。

1 筒倉溫度場實驗系統

實驗用筒體為圓柱形，內徑D=0.52 m，高度H=0.86 m，內外壁包有保溫層。為了模擬實際筒倉結構，筒倉底部開有直徑4 cm圓孔作為出煤口，頂部中心開有5 cm圓孔作為落煤口。實驗用煤為褐煤(粒徑范圍：0～22.6 mm)，人工熱源規格與實驗功率見表1。

表1 儲煤筒倉實驗熱源規格及加熱功率

溫度測點布置如圖1所示，共布置38個溫度傳感器，在筒壁豎直方向布置6層測點(從上至下以數字1～6代表層數)，在筒壁圓周均勻分布8行(逆時針方向以字母A-H代表列數)。第1層距筒體上邊沿60 mm，該層測點位于煤體與空間交界處，主要對上部空間進行溫度監測，該層對稱布置2個(D1、H1)溫度傳感器。第6層距筒體底部50 mm，該層布置4個(A6、C6、E6、G6)，第2、3、4、5層各布置8個測點，依次標記為A2-H2，A3-H3，A4-H4，A5-H5。所有溫度信號傳輸至計算機進行處理，數據采集卡型號為PCI-6225，采集頻率為1 000 Hz。

圖1 溫度測點布置圖

2 實驗結果及分析

2.1 實驗結果

(Ⅰ)選用規格為d=10 cm，R=334 Ω球形熱源。熱源球心距筒體底部19 cm，與測點A5-H5處于同一平面，與溫度傳感器端部距離22 cm。電源電壓U=101 V，加熱功率P=30.47 W，熱流密度q=970 J·m-2·s-1。

熱源采用恒功率加熱方式，實驗進行時長約為42.5 h，其中升溫階段25 h。由圖2(a)所示，熱源溫升速率逐漸降低，在加熱8 h后熱源溫度達到97.7 ℃，溫升速率為12.2 ℃·h-1，在8～25 h階段，溫升速率約為2.7 ℃·h-1。

圖2為熱源及部分測點溫度變化曲線。總體上，各測點溫度曲線變化趨勢相同，其中1～3層測點距離熱源較遠，溫度值變化曲線具有一致性，溫度整體變化無顯著差異，測點煤體溫度變化微小，其中第1層測點最大溫差8.4 ℃，高于第2、3層測點最大溫差，說明該層測點受熱源溫度影響最小。第4、6層測點相較第1～3層最低溫度高。由于球形熱源布置于第5層測點同一平面上，該層測點與熱源間距最短，因此測點響應時間短，且溫度變化幅度更大。在加熱進行到27.4 h時B5測點達到最高溫度26.7 ℃，F5測點溫度值與同平面測點差異較大。測點D1、H1溫度變化趨勢完全一致，溫度變化幅度最大，初始溫度為15 ℃。在加熱到18.5 h時溫度達到最低值6.6 ℃，主要反映出環境溫度變化對溫度測量的影響。

(Ⅱ)選用規格為d=100 mm，R=330 Ω球形熱源。熱源球心距筒體底部43 cm，與測點A3～H3、A4～H4等間距分布，即熱源置于平面3和4幾何中心，電源電壓U=200.5 V，加熱功率P=121.8 W，熱流密度q=3876 J·m-2·s-1。

圖2 實驗(Ⅰ)熱源及測點溫度曲線圖

熱源在恒功率加熱條件下具有穩定的溫升速率，加熱到8.3 h時溫度上升到最高點295.5 ℃，隨后進入冷卻階段，如圖3(a)所示。環境溫度變化如圖3(b)所示，即實驗時間段內環境溫度變化情況，初始環境溫度為12.5 ℃，經過緩慢上升后達到最高溫度13.8 ℃，在下降階段，降溫速率逐漸降低，并于次日3時達到最低溫度1.44 ℃，隨后溫度略有上升。

(Ⅲ)選用規格為d=100 mm，R=330 Ω球形熱源。熱源球心距筒體底部43 cm，與實驗(Ⅱ)球形熱源處于同一平面。球心距測點A3水平距離為12 cm，距測點E3水平距離32 cm，電源電壓U=78 V，加熱功率P=121.8 W，熱流密度q=3 876 J·m-2·s-1。

實驗(Ⅱ)、(Ⅲ)采用了相同的實驗條件，僅把熱源位置進行水平位移，實驗過程中環境溫度變化規律一致，如圖4(a)所示。

圖3 實驗(Ⅱ)熱源及測點溫度曲線圖

圖4 實驗(Ⅲ)中熱源及測點溫度曲線圖

(Ⅳ)選用規格為d=50 mm，R=330 Ω球形熱源。熱源球心距筒體底部37 cm，與測點A4～H4處于同一平面，與溫度傳感器端部距離17 cm。電源電壓U=82 V，加熱功率P=20.34 W，熱流密度q=259 0 J·m-2·s-1。

實驗(Ⅳ)采用直徑50 mm的球形熱源加熱，熱流密度較小，升溫過程緩慢，在加熱6 h后溫升速率下降明顯。整個加熱過程持續21.5 h，熱源最高溫度為193 ℃。以環境溫度為基準值，E4溫度相對升高約6.8 ℃，E3溫度相對升高約5.5 ℃，多數測點與環境溫度變化趨勢一致，如圖5所示。

圖5 實驗(Ⅳ)中熱源及測點溫度曲線圖

2.2 結果分析

(1)不同測點距離對溫度分布的影響

在實驗中，測點與熱源間的距離是影響溫度測量的最主要因素。在實驗(Ⅲ)中，將熱源置于筒體一側，在第3層測點中，距離熱源近的A3、B3、G3、H3測點依次響應，而C3、D3、E3、F3溫度并未能發生顯著變化，測點A2、B2、G2、H2響應時間較長，且溫升低于第3層測點。煤體導熱系數較小，導熱性能差，氧化產生熱量積聚不易散失，熱源周圍溫度升高速率較大，距離的增加引起溫度快速降低，距離較遠處溫升極不明顯。因此，測點宜布置在易自燃區域，溫度傳感器精度要求較高，宜多布置測點數量。

(2)熱源強度對溫度分布的影響

實際松散煤體經過低溫氧化而發生自燃的過程極其緩慢，發熱強度隨溫度升高而進入自加速階段。實驗(Ⅱ)中采用恒功率熱源加熱，在0～3 h階段，測點溫度未發生明顯變化，在3 h時開始升高。在實驗(Ⅰ)中加熱強度低，熱源布置相似，響應時間約8 h，時間遠長于實驗(Ⅱ)中測點響應時間。

(3)熱源相對位置對溫度分布的影響

熱源相對位置改變著熱源與溫度傳感器的距離。由于將溫度傳感器布置于筒體外壁，對于距離筒壁較近的熱源更易監測，對于處于中間部分的熱源監測難度較大，響應時間長，具有明顯的滯后現象。如實驗(Ⅳ)中，實驗過程持續約22 h，但測點溫度幾乎未發生變化，這也說明低溫熱源探測難度極大。

3 結束語

(1)熱源周圍溫度升高速率較大，距離的增加引起溫度快速降低，較遠距離處溫升極不明顯，低溫熱源探測難度極大；

(2)熱源強度決定了溫升速率，熱源強度高則溫升速率較大，導熱時間相應減少。熱源溫度隨著加熱時間的增長而升高，低溫氧化階段時間越長，越有利于熱量的傳遞，溫度傳感器能夠更準確地感知溫度的變化；

(3)熱源強度過高將造成熱量在短時間內大量積聚，若無法及時散失，且氧氣供應充足時，該處極易引發自燃。但其溫度影響范圍較小，監測難度較大。