筒倉惰化監測及控制系統設計

王昌濟, 文天龍

(安徽省皖北煤電集團有限責任公司, 安徽宿州 234000)

1 項目背景

針對煤炭露天堆放不僅占地面積大、污染環境，而且長期風化還會降低煤質[1]的問題，采取筒倉儲存煤炭無疑是一種良好的方式[2-3]。

煤炭在筒倉的儲存過程中會產生熱量，由于煤炭自身的特性，即氧化放熱自燃傾向性，再加上筒倉的風筒效應，在相對有限的密閉空間內，難以散熱，同時次生瓦斯氣體，極易發生爆炸，引發惡性事故，造成重大損失[2,4]。煤炭自燃是在某一點發生的局部化學反應，進而引發大面積自燃和爆燃。煤炭局部自燃時，由于范圍小、熱量低、環境干擾大。筒倉常規監測設施如溫度、可燃氣體濃度、氣量等傳感器通常不能及時做出準確的預報。若等到自燃范圍擴大，熱量驟高，可燃氣體濃度過高再預報則會貽誤處理時機。筒倉一旦著火將難以控制火情，只能利用大量氮氣封堵或做卸出處理[3,5-6]，浪費大量的人力和物力。因此，從源頭加以預防控制，而非后期消防滅火，將是解決自燃問題的有效手段。

目前電廠主要采用水蒸氣惰化系統，來源廣、價格低，但是噴入水蒸氣后，無法維持很高的系統溫度，水蒸氣很快會冷凝成液態水而失去惰化氣體的作用，而且燃燒的煤會與水蒸氣發生反應生成易燃易爆的水煤氣，同時使用間歇期需保持大量疏水，既不經濟也不安全[7-8]。

考慮企業實際安全性、經濟性及可操作性，尤其對于易燃易爆的化工企業，采用氮氣惰化系統具有獨特的優勢。筆者擬設計1套溫度、可燃氣體、一氧化碳、氧氣、煙霧及料位集成監測的筒倉惰化監測及控制系統(簡稱筒倉惰化系統)[9-12]，同時配置數據采集、數據處理及控制模塊，對儲煤筒倉各種參數(溫度、可燃氣體濃度等)進行實時監測，通過上位機上的組態軟件畫面顯示實現預警監控及遠程控制，從而達到預防和保護的目的。

2 工藝技術說明

該筒倉惰化系統的設計方案見圖1。

圖1 筒倉惰化系統設計方案

設計4個筒倉共用1套筒倉惰化系統。氮氣來源于工廠空分裝置，壓力為0.4 MPa，純度≥95%。筒倉惰化系統包括儲氣裝置、減壓裝置、控制閥，以及多個鎖氣、充氣、換氣預埋管等。筒倉惰化系統的氮氣通過鎖氣管網、充氣管網、換氣管網進入儲煤筒倉中，迅速擴散至筒倉內的各個地方，置換易燃易爆氣體，降低易燃易爆氣體的濃度。考慮筒倉特征，設計安全、有效、合理的鎖氣管網、充氣管網、換氣管網，保證氮氣能夠最大限度地、均勻地滲入煤層，避免氣體溝流情況發生。

3 監測系統

3.1 插入式溫度監測

3.1.1 插入式溫度傳感器安裝數量

每個筒倉底部錐體處布置8支Pt100溫度傳感器，筒倉底部直段部分布置8支，4個筒倉共配置65支溫度傳感器(含1套備品備件)。

溫度探頭采用Pt100鉑電阻檢測元件，傳感器深入筒倉250 mm，傳感器自帶保護管。溫度探頭的保護外殼由304不銹鋼制成，保護套管的強度、剛度和耐磨性能,同時能夠保證溫度傳感器插入筒倉后不被落煤砸壞或磨損。

3.1.2 溫度傳感器安裝位置

在每個筒倉底部錐體處均勻布置8個溫度傳感器；在筒倉底部直段部分一周再均勻布置8個。布置的溫度探頭能夠正確反映筒倉內的煤體溫度和可能的自燃、易燃點。

3.1.3 溫度傳感器報警點

溫度傳感器報警溫度上限為70 ℃，報警參數可調節。

3.1.4 溫度傳感器信號采集

每個筒倉配置智能溫度巡檢報警儀，接至安裝在筒倉底部溫度采集箱內，實現溫度監測數據就地顯示及報警。溫度傳感器信號通過RS-485接口傳輸至上位機系統。

3.2 煤層測溫裝置

3.2.1 安裝數量及位置

每個筒倉配置4套煤層測溫裝置，用于監測筒倉內部煤的溫度變化，對稱、均勻、垂直吊裝在筒倉頂部，伸入筒倉煤層內部。4個筒倉共配置17套煤層測溫裝置(含1套備品備件)。

3.2.2 煤層測溫裝置技術參數

每套煤層多點測溫纜式傳感器含8個數字式溫度傳感器(DS18B20)，上端3 m不布置測溫點，下端平均分布8個測溫點。煤層測溫裝置采用美國進口一線式數字溫度傳感器，實現多點測溫。輸出信號接至就地數據采集箱，報警溫度上限為70 ℃，溫度上限可調。

3.3 溫度巡檢儀

溫度巡檢儀安裝于筒倉底部的溫度采集箱內，負責采集筒倉底部溫度傳感器信號，溫度數值可以通過數碼管就地顯示，并輸出報警信號。溫度信號通過溫度巡檢儀輸出給上位機軟件，上位機軟件可以遠程顯示溫度信號并報警。

3.4 可燃氣體監測傳感器

每個筒倉各配套安裝2個CH4檢測傳感器、2個CO檢測傳感器(含變送器)及2個煙霧探測器，對稱、均勻布置在筒倉頂部，并配置相應安裝附件伸入筒倉1 000 mm，可燃氣體爆炸下限(LEL)量程為0%～100%。

設定報警值，報警下限為25%LEL，報警上限可調。無報警時，筒倉惰化系統處于待機狀態，當出現報警時啟動安全惰化保護。

每個筒倉的2個對應傳感器輸出信號接至筒倉頂部就地數據采集箱中的1臺雙通道氣體報警器就地顯示。傳感器的輸出信號制符合中華人民共和國行業標準MT 209—1990 《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產品通用技術要求》的規定，當煙霧質量濃度為0.1 mg/m3時，傳感器的響應時間≤30 s。

與此同時，每個筒倉頂部通廊設置1個氧氣濃度檢測傳感器(筒倉頂部和底部各安裝4個氧氣濃度檢測傳感器)。氧氣濃度檢測器應不受強磁干擾，不怕潮濕，在低溫狀態(-37 ℃)下能正常工作，內置警鈴，具有現場和控制室同時報警的功能。

氧氣濃度檢測信號接至數據采集箱內氣體監測儀表中，實時顯示、輸出監測信號。

3.5 料位計

3.5.1 安裝數量及位置

每個筒倉安裝1臺雷達連續料位計，配置1套控制箱。料位計垂直安裝在筒倉頂板處，應避開落料口且距離筒倉壁至少2 m，以有效避免卸料過程及筒倉壁對雷達回波的影響。

3.5.2 筒倉高煤位監測

每個筒倉安裝2臺射頻導納式料位控制器，垂直安裝在筒倉頂板上，距離落煤口1 m左右。當筒倉煤位達到一定高度時，發出報警，同時上傳可編程邏輯控制器(PLC)聯鎖控制，停止輸煤。4個筒倉共配置8臺射頻導納式料位控制器。

3.6 安全泄爆裝置

3.6.1 安裝數量及位置

每個筒倉配置8臺重力翻板式防爆門,安裝在筒倉頂部斜面處，均勻配置。因為筒倉內易燃易爆氣體大多積聚于筒倉頂部，當筒倉內壓力過大時，筒倉內氣體往上運動頂開防爆門，防爆門可起到及時泄壓防爆的目的。

3.6.2 泄爆方式

采用重力翻板式防爆門，門和框的連接處采用≤90 ℃的限位。當倉內壓力達到一定值時，泄壓門自動開啟；當倉內壓力降低至常壓時，泄壓門自動復位。

4 結語

通過設計筒倉惰化系統，可在實現遠程自動控制的狀態下，保證筒倉系統運行可靠。筒倉在正常儲存和出煤的過程中，其筒倉惰化系統處于待機狀態。若筒倉靜止儲煤時間較長、自燃傾向較大或異常時，筒倉惰化系統開始向煤層間斷充氮氣，抑制自燃的發生。筒倉內如發生自燃時，筒倉惰化系統開始用氮氣置換筒倉上部空間可能爆炸的氣體，同時鎖住筒倉下部出煤口，全方位控制和抑制自燃和爆炸。該工藝設計兼具安全防護及應急處置功能，投資小、工藝簡單，且操作便捷安全，具有廣闊的應用前景。