自動化檢測系統在圓形煤場中的應用

孟 萌

（中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071）

近年來，圓形煤場發展成為火力發電、煤化工等行業中1種新型的儲配煤形式。全封閉式圓形煤場因其自身結構上的獨特優勢，避免了火力發電廠、煤化工企業在配煤過程中，煤粉顆粒對周圍環境造成的粉塵污染，同時解決了惡劣天氣對儲煤造成的不利影響，圓形煤場內部工作面見圖1。

圖1 圓形煤場立面圖

全封閉式圓形煤場雖然因其形式上的優越性受到推廣，但在運營管理過程中也存在著很多安全生產問題。文中從溫度檢測系統、危險氣體及粉塵濃度檢測系統、盤煤儀檢測系統3個方面闡述自動化檢測系統在圓形煤場運行生產中的應用。

1 溫度檢測系統

圓形煤場最突出的安全隱患是煤炭自燃。煤與空氣接觸時會發生氧化反應并放出熱量。煤堆表面較松散，與空氣充分接觸時，雖發生氧化反應，但因散熱條件良好，所以煤堆溫度不易持續升高。在煤堆中層，空氣會通過煤塊間隙滲透進去，給煤堆內部氧化創造條件［1］。煤炭發生氧化反應后使煤堆的溫度升高，如散熱不良便會加速煤的氧化速度。依此惡性循環，煤堆的溫度會越來越高，當溫度超過煤的自燃點時就引起自燃。

根據煤的自燃原理可知，預防煤塊或煤粉顆粒自燃最直接的手段是溫度檢測。基于圓形煤場的工作模式及結構特點，溫度檢測可分為2個部分。（1）對煤堆采用紅外熱像儀進行監測；（2）對擋煤墻內壁采用溫度傳感器進行測溫。

1.1 煤場紅外測溫系統

紅外測溫系統包括紅外掃描熱像儀和云臺。搭載云臺的若干臺熱像儀均布在煤場穹頂周圍構架上，具體設置的數量根據煤場大小而定，各熱像儀掃描面積應能覆蓋整個圓形煤場。煤場內所有熱像儀接入交換機后，與控制室上位機組成局域網，即可實現對現場設備的遠程查看及操作。紅外熱像儀利用熱分析成像技術、圖像處理技術、云臺控制技術、嵌入式控制以及計算機網絡等綜合技術，實現圓形煤場全覆蓋測溫，系統具有自燃準確定位、實時高效預報警、遠程預報警發布、災后數據分析等功能，其組織架構見圖2。

圖2 紅外測溫系統組織架構

紅外測溫系統采用非接觸方式，自動連續獲取監控對象所有點的溫度數據，通過內置的智能算法搜索并識別疑似火情，包括火情隱患階段，實現早期預、報警。紅外測溫系統方便控制中心進行火警遠程快速確認，避免現場巡檢確認延誤消防時機。火場實況實時上傳，也為快速滅火提供更多解決方案依據。

1.2 擋煤墻測溫系統

煤場利用堆取料機進行儲配煤操作，堆料機圍繞中心立柱360°旋轉在其周圍形成多個圓錐形煤堆，煤堆外圈緊貼擋煤墻內壁。由于取料機的機臂遠端與擋煤墻之間有一定距離，靠近擋煤墻的煤不易取出，且煤粉顆粒易在墻壁上結塊，導致擋煤墻附近中下部的煤堆積易產生自燃現象。

擋煤墻溫度測量一般按圓形煤場中心放射每10°或以上分2層或多層設置溫度傳感器，具體可根據煤場實際情況對傳感器布置方案進行優化。文中介紹的擋煤墻溫度傳感器采用的是熱電阻形式的測量元件，主要測點在煤堆積易產生自然的擋煤墻中下部。測溫方式可選用單點熱電阻，在各層各角度測溫點由擋煤墻外部插入。當擋煤墻溫度測點需求較多時，也可選用多點熱電阻沿擋煤墻內壁垂直敷設，則可測量同一角度多層溫度測點。溫度傳感器采集到的數據可通過配備數據采集模塊的就地數據采集箱，實現溫度監測數值采集及傳輸；也可直接上傳熱電阻信號至控制室，在控制室進行溫度信號的變送及采集。煤的著火點雖然在300～350℃，但氧化放熱達到70～80℃時，煤溫升高速度會驟然增加，故擋煤墻溫度在控制系統的報警值可設定在70℃。

2 危險氣體及粉塵濃度檢測系統

煤在采集運輸過程中容易產生粉塵并懸浮在空中，其中還有煤塵在碳化過程中產生的甲烷等可燃性氣體，還會混雜有害氣體CO。當煤塵積聚濃度達到一定量級，即可能發生著火或爆炸。而當煤塵中含有可燃性氣體時，其爆炸下限濃度顯著下降，同時爆炸的危險性也陡然增加［2］。

根據以上分析可知，為保證安全生產，封閉式圓形煤場需要布置可燃氣體檢測器、CO檢測器、O2檢測器及粉塵濃度檢測器。

由于甲烷等可燃性氣體比空氣輕，易于在封閉空間上方進行積聚，所以可燃氣體檢測器一般布置在排氣流集中的煤場上部。粉塵濃度檢測器主要布置在容易揚塵、積塵的位置，如在帶式輸送機棧橋、圓形煤場擋煤墻頂部等。

圓形煤場內各類氣體粉塵檢測器可盡量靠近擋煤墻頂部馬道安裝，便于電纜走線規劃以及儀表維護及檢修。此外，堆取料機司機室也要安裝可燃氣體檢測器、CO檢測器、O2檢測器及粉塵濃度檢測器，以確保堆取料機司機安全［3］。在司機室外及圓形煤場主要進出口設置現場聲光報警器，幫助現場巡檢及操作人員提前感知檢測器報警，提示其遠離危險區域。

同樣，各氣體濃度信號、粉塵濃度信號可分別直接上傳至控制室內的可燃及有毒氣體檢測報警系統（GDS）、分散控制系統（DCS），也可采用在現場設置數據采集箱的方式［4］。操作人員可通過控制室內的系統人機界面及時了解各檢測器的濃度數據及報警情況，以保證現場生產及人員的安全。

3 盤煤儀檢測系統

圓形煤場內存煤的分布及存量管理直接影響著煤的采購計劃和后續使用情況。盤煤儀利用高精度激光對煤場表面進行掃描采集，通過計算機處理煤堆輪廓數據，重建出煤場的三維圖形，進而計算出煤堆的體積等信息。盤煤儀全自動激光測量盤庫系統分布式的建設，將煤場內存煤情況進行完整的展現，操作人員可以直觀掌握儲煤狀態，為生產作業提供決策支持。

搭載云臺的盤煤儀也是均布在圓形煤場上部，具體設置的數量根據煤場大小而定。為取得更好的檢測視角，盤煤儀的安裝高度應明顯高于紅外熱像設備的安裝高度，如安裝在穹頂網架的中上部。盤煤系統的組織架構及接線形式與紅外測溫系統相似，也是基于網絡傳輸方式進行上位機系統與各現場設備之間的互聯及控制［5］。

盤煤儀應滿足在高濃度粉塵、設備振動大、通風條件較差、高潮濕等環境要求。系統要求采用精細算法，當1個煤場有幾種不同種類的堆料時，能夠單獨計算出每堆的體積。系統具有分割功能，能夠1次測完全場的所有堆料后，根據分割線的位置將圖形上的料堆進行分割計算，計算出不同堆料各自的體積，并在三維圖形上用顏色區分開來，見圖3。

圖3 盤煤儀三維圖形監視畫面

4 結束語

文中以全封閉式圓形煤場的結構特點及工作模式為出發點，分析了煤場生產運營過程中存在的安全隱患，解釋了存煤自燃及煤塵爆炸的原因。闡明溫度檢測系統、危險氣體及粉塵濃度檢測系統、盤煤儀檢測系統等自動化檢測系統的設置對于圓形煤場的安全平穩生產，保護人員生命及財產安全等具有重要意義。