煤炭是我國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，一直以來在我國一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占較大比重。在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，煤炭仍將是我國的主要能源之一。
對(duì)于煤炭的存放，我國自上世紀(jì)九十年代就開始使用圓筒儲(chǔ)煤倉，但發(fā)展至今仍有多處圓筒儲(chǔ)煤倉相繼發(fā)生煤炭自燃事故。雖然大多數(shù)“自燃”因撲救及時(shí)而未造成儲(chǔ)煤倉損毀的重大事故，但對(duì)儲(chǔ)煤的質(zhì)量影響、環(huán)境影響還是不可小覷。由此引出圓筒儲(chǔ)煤倉的“自燃”監(jiān)測(cè)和防范措施技術(shù)課題。本文提出用連續(xù)熱電偶監(jiān)測(cè)圓筒儲(chǔ)煤倉“自燃”，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，能有效監(jiān)測(cè)儲(chǔ)煤內(nèi)部各處氧化升溫，并能實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控，自由設(shè)置預(yù)警和報(bào)警溫度點(diǎn)。
圓筒儲(chǔ)煤倉煤炭超溫甚至自燃事故及特點(diǎn)
煤炭?jī)?chǔ)存場(chǎng)所是集中儲(chǔ)存煤炭的場(chǎng)所，煤炭的儲(chǔ)存根據(jù)儲(chǔ)煤場(chǎng)所一般可分為：露天儲(chǔ)存、半露天儲(chǔ)存、室內(nèi)儲(chǔ)存等多種形式，其中室內(nèi)儲(chǔ)存又分為圓筒儲(chǔ)煤倉、低下儲(chǔ)煤倉等多種形式。而現(xiàn)在根據(jù)國家對(duì)安全和環(huán)保的要求，已有越來越多的單位開始修建圓筒儲(chǔ)煤倉來進(jìn)行煤炭的統(tǒng)一儲(chǔ)存。
1、圓筒儲(chǔ)煤倉煤炭超溫甚至自燃的事故
我國的圓筒儲(chǔ)煤倉發(fā)展至今，已發(fā)生過多起圓筒儲(chǔ)煤倉內(nèi)煤炭超溫甚至自燃事故。1999年底與2000年初，謝一礦選煤廠兩圓筒儲(chǔ)煤倉相繼發(fā)生煤炭自燃事故，耗時(shí)三天至一周的時(shí)間才將火撲滅。
2009年7月29日14時(shí)16分，山東?；簶I(yè)化工有限公司一個(gè)30m的煤倉由于煤倉中煤炭長期存儲(chǔ)而引發(fā)煤炭自燃，導(dǎo)致頂部皮帶走廊和筒倉發(fā)生大火。
2009年11月份和2010年年初，國宏化工有限責(zé)任公司運(yùn)洗車間圓筒儲(chǔ)煤倉發(fā)生煤炭溫度過高現(xiàn)象，由于及早發(fā)現(xiàn)，采取的處理措施得當(dāng)，及時(shí)將煤倉內(nèi)存煤放空，才沒有釀成事故。
以上事故暴露出目前儲(chǔ)煤倉內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備不夠完備，不能及時(shí)監(jiān)控儲(chǔ)煤倉內(nèi)部煤炭的溫度以及自燃情況的問題。為了避免類似“自燃”現(xiàn)象的再次發(fā)生，對(duì)于圓筒儲(chǔ)煤倉內(nèi)部?jī)?chǔ)煤的溫度監(jiān)控至關(guān)重要。
2、當(dāng)前已有的圓筒儲(chǔ)煤倉內(nèi)部溫度監(jiān)控方法
目前在圓筒儲(chǔ)煤倉內(nèi)使用的溫度監(jiān)測(cè)方法有紅外線測(cè)溫儀、熱電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能溫度傳感器9如DS18B20數(shù)字溫度傳感器)、分布式光纖溫度傳感器測(cè)溫系統(tǒng)、連續(xù)熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)法等方式。幾種測(cè)量方式對(duì)比見表1。
表1 圓筒儲(chǔ)煤倉監(jiān)控技術(shù)特點(diǎn)的比較
監(jiān)控方法 監(jiān)控范圍 測(cè)量溫度范圍 實(shí)施監(jiān)控 自動(dòng)報(bào)警
紅外線測(cè)溫儀 點(diǎn)式 -25~1200℃ 否 否
熱電阻監(jiān)控 點(diǎn)式 -200~600℃ 是 是
智能溫度傳感器監(jiān)測(cè)法 點(diǎn)式 -55~125℃ 是 是
分布式光纖溫度傳感器測(cè)溫系統(tǒng) 線式(最小空間分辨率1m) -50~350℃ 是 是
連續(xù)熱電偶 線式 -40~880℃ 是 是
①紅外線測(cè)溫儀或紅外線成像儀法
通過紅外線測(cè)溫儀或紅外線成像儀定期對(duì)煤倉底部和倉壁進(jìn)行溫度測(cè)量，發(fā)現(xiàn)溫度出現(xiàn)異常時(shí)，再通過分析判斷原因，繼而采取相應(yīng)的處理措施。這種方法屬于較為傳統(tǒng)的方法，無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，需要安排工作人員定期到現(xiàn)場(chǎng)巡查，且這種通過這種紅外線小型儀器所能夠監(jiān)測(cè)的范圍窄，效率底。不能反映圓筒儲(chǔ)煤倉內(nèi)部?jī)?chǔ)煤溫度的普遍情況。
②熱電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)法
通過插入式熱電阻選取數(shù)個(gè)煤倉內(nèi)部的溫度點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)控。這種方式可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)煤倉內(nèi)數(shù)個(gè)溫度點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，而由于熱電阻的“點(diǎn)式”測(cè)溫的特性，測(cè)量范圍相對(duì)狹窄有限，不能反映圓筒儲(chǔ)煤倉內(nèi)部?jī)?chǔ)煤溫度的普遍情況。
③智能溫度傳感器監(jiān)測(cè)法
以DS18B20數(shù)字溫度傳感器為例，該傳感器將全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。但是，并聯(lián)數(shù)量最多只能8個(gè)，如果數(shù)量過多，會(huì)使供電電源電壓過低，從而造成信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定。DS1820測(cè)溫范圍為-55~125℃，難以實(shí)現(xiàn)高溫測(cè)量。測(cè)量結(jié)構(gòu)以9位數(shù)字量方式串行傳送，因此在對(duì)DS1820進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測(cè)溫結(jié)果。且連接 DS1820的總線電纜是有長度限制的。
④分布式光纖溫度傳感器測(cè)溫系統(tǒng)
基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器可測(cè)量光纖沿線的溫度分布信息，可以實(shí)現(xiàn)煤倉多點(diǎn)溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但該種測(cè)試方法由于光纖較脆，在流動(dòng)的煤倉中容易折斷而喪失測(cè)量的功能。
目前國內(nèi)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的空間分辨率最優(yōu)僅能達(dá)到1m，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量值為最小空間分辨率的平均溫度，如果出現(xiàn)某點(diǎn)過溫情況，該系統(tǒng)的測(cè)量溫度與實(shí)際溫度容易出現(xiàn)較大偏差，從而出現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)等嚴(yán)重后果。
市面常見的光纖耐溫較低(-50~350℃)，而高溫光纖則價(jià)格高昂(如銅光纖、鋁光纖、金光纖等)，且信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)同樣價(jià)格不菲，因此分布式光纖溫度傳感器測(cè)溫系統(tǒng)難以成為首選。
⑤連續(xù)熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)法
連續(xù)熱電偶(也稱為尋熱式熱電偶)基于熱電效應(yīng)原理，能夠根據(jù)其沿線上的最高溫度點(diǎn)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的毫伏信號(hào)。測(cè)量溫度范圍-40~880℃，彎曲半徑可達(dá)連續(xù)熱電偶線纜外徑的10~20倍。由于連續(xù)熱電偶可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)溫，且耐溫較高，與前面幾種方式對(duì)比有明顯的優(yōu)勢(shì)。
高強(qiáng)度連續(xù)熱電偶在圓筒儲(chǔ)煤倉的應(yīng)用
1、連續(xù)熱電偶
連續(xù)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由特種金屬管、溫敏介質(zhì)材料和芯線(熱電極)組成。特種金屬不僅是整個(gè)傳感器外層保護(hù)鎧甲，使傳感器具有極佳的惡劣環(huán)境耐受性，如耐磨、耐高溫、耐腐蝕等，而且在長期使用過程中，與溫敏介質(zhì)材料有良好的相容性，不會(huì)與溫敏介質(zhì)材料發(fā)生不良的化學(xué)反應(yīng)而使連續(xù)熱電偶的特性發(fā)生漂移。溫敏介質(zhì)材料是線式溫度傳感器的核心，在使用溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，介質(zhì)材料的電阻率逐漸下降。芯線使用K型熱電極，使用溫度范圍寬廣，溫度特性線性好。
圖1 連續(xù)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖
當(dāng)連續(xù)熱電偶感溫段某點(diǎn)(也可以是同溫度的多點(diǎn)或一段)的溫度T1超過感溫段其余部分的溫度時(shí)，該點(diǎn)兩熱電極之間的熱敏材料的電阻就會(huì)降低，從而在T1點(diǎn)形成一個(gè)“臨時(shí)”測(cè)量端。此時(shí)連續(xù)熱電偶就像一支普通的熱電偶，兩熱電極之間產(chǎn)生一個(gè)和溫度T1相對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)。如果感溫段出現(xiàn)更高的溫度點(diǎn)T2(T2＞T1)，則T2點(diǎn)熱電極間熱敏材料的電阻就會(huì)降得比T1點(diǎn)更低，從而一個(gè)新的“臨時(shí)”測(cè)量端就在T2點(diǎn)產(chǎn)生了，同時(shí)熱電極之間又輸出一個(gè)和溫度T2相對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)。連續(xù)熱電偶就是這樣一支測(cè)量端跟隨最高溫度點(diǎn)位置不斷“移動(dòng)”的熱電偶，感溫段上哪個(gè)點(diǎn)的溫度高，測(cè)量端就跟隨到哪，連續(xù)熱電偶的輸出熱電勢(shì)總是和感溫段上存在的最高溫度相對(duì)應(yīng)。
圖2 連續(xù)熱電偶工作原理圖
2、新型高強(qiáng)度連續(xù)熱電偶
關(guān)于連續(xù)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圓筒儲(chǔ)煤倉內(nèi)部溫度，可通過將數(shù)根足夠長度的連續(xù)熱電偶置入圓筒儲(chǔ)煤倉內(nèi)部進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。這是一種新型的監(jiān)測(cè)方法，由于連續(xù)熱電偶可以在一條直線上連續(xù)感溫，輸出該條直線上最高溫度點(diǎn)的溫度信號(hào)，因而可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤倉內(nèi)部較大范圍的溫度情況。根據(jù)儲(chǔ)煤倉直徑的大小，一個(gè)煤倉可對(duì)稱布置3支或5支或更多。一般保證兩支連續(xù)熱電偶的距離在2m以內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)煤倉內(nèi)全方位監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。此類“線狀”測(cè)溫技術(shù)代表圓筒儲(chǔ)煤倉內(nèi)部測(cè)溫的前沿技術(shù)。
圓筒儲(chǔ)煤倉溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括檢測(cè)儲(chǔ)煤倉內(nèi)部煤堆溫度的連續(xù)熱電偶、溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)箱和上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
連續(xù)熱電偶可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)煤倉內(nèi)煤堆內(nèi)部溫度，進(jìn)而全方位立體式反映儲(chǔ)煤倉內(nèi)部煤層各處最高溫度以及最高溫度升溫速率的實(shí)時(shí)狀況。
溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)箱在儲(chǔ)煤倉現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集、變送連續(xù)熱電偶傳輸數(shù)據(jù)，并傳輸至上位機(jī)，在溫度超限時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在軟件模擬圖上實(shí)時(shí)顯示所有溫度數(shù)據(jù)，并在溫度超限報(bào)警的時(shí)候提示操作員進(jìn)行處理。
一般場(chǎng)合使用的鎧裝連續(xù)熱電偶，為保證響應(yīng)時(shí)間，直徑通常為Φ2或Φ3，加之使用環(huán)境相對(duì)靜置、穩(wěn)定，很少出現(xiàn)損壞的情況，如煤化工、光伏、火電等領(lǐng)域。但在圓筒儲(chǔ)煤倉內(nèi)，由于卸煤時(shí)煤炭要產(chǎn)生漩渦式運(yùn)動(dòng)，煤炭與連續(xù)熱電偶外壁之間要產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦進(jìn)而使連續(xù)熱電偶外壁磨損變薄，同時(shí)巨大的下拽力極易拉斷連續(xù)熱電偶。一種做法是在連續(xù)熱電偶周圍捆綁4根禁錮鋼繩以保護(hù)連續(xù)熱電偶不受磨損，但同時(shí)粗糙的鋼繩表面以及緊固卡箍也增加了摩擦力，用不了一個(gè)月鋼繩也容易出現(xiàn)拉斷的現(xiàn)象。
因此，圓筒儲(chǔ)煤倉所需的連續(xù)熱電偶需要更高的強(qiáng)度要求。將原通用型連續(xù)熱電偶的外徑由Φ2或Φ3改為Φ8，同時(shí)增加壁厚。外徑增加后，原始投料尺寸必須相應(yīng)加大，連續(xù)熱電偶生產(chǎn)的拉拔工藝及熱處理工藝等都要做出相應(yīng)調(diào)整。經(jīng)過昌暉儀表制造有限公司幾個(gè)周期的試投料，外徑8mm的大尺寸連續(xù)熱電偶終于試制成功，并為西北某煤化企業(yè)筒倉試用，近一年來，試用情況良好，未出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象，連續(xù)熱電偶采用新型防水接插式連接頭以及專用溫度變送器，通過通訊線纜將變送器的信號(hào)傳輸至上位機(jī)，進(jìn)行圓筒儲(chǔ)煤倉內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
3、新型防水接插式連接件
采用接插式連接件便于連續(xù)熱電偶的安裝、拆卸及更換，而為了避免接插件及連續(xù)熱電偶內(nèi)部受潮，接插件統(tǒng)一采用密封處理，提高其使用可靠性。圖3為新型防水接插式連接件示意圖。
圖3 連續(xù)熱電偶防水接插式連接件示意圖
4、連續(xù)熱電偶信號(hào)處理
由于連續(xù)熱電偶的內(nèi)部阻抗很高，往往能夠達(dá)到kΩ級(jí)甚至MΩ級(jí)，直接采用普通K型熱電偶變送器會(huì)產(chǎn)生較大的示值誤差。昌暉儀表通過自主研發(fā)，采用數(shù)字化調(diào)校、無電位器、自動(dòng)零點(diǎn)校準(zhǔn)等先進(jìn)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)熱電偶的采集和標(biāo)準(zhǔn)化輸出，且測(cè)量精度高，抗干擾效果好，能夠較好的配合連續(xù)熱電偶達(dá)到最優(yōu)的測(cè)溫效果。組成的系統(tǒng)可用來連續(xù)探測(cè)監(jiān)控區(qū)域(圓筒儲(chǔ)煤倉煤堆內(nèi)部)的最高溫度，對(duì)溫度的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。
高輸入阻抗溫度變送器以連續(xù)熱電偶為測(cè)溫元件，將連續(xù)熱電偶信號(hào)進(jìn)行線性化處理，轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)輸出，再與顯示儀表、記錄儀表以及各種控制系統(tǒng)配套使用。
圖4 連續(xù)熱電偶高阻抗溫度變送器電氣原理與接線
5、圓筒儲(chǔ)煤倉煤層溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成
圓筒儲(chǔ)煤倉一般采用數(shù)個(gè)聯(lián)排的修建形式，在頂部(一般在30m以上的高度)修建一個(gè)連接所有圓筒儲(chǔ)煤倉頂部的平臺(tái)。圓筒煤倉內(nèi)部實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)由高強(qiáng)度連續(xù)熱電偶，接插式連接件，固定法蘭，補(bǔ)償導(dǎo)線，專用溫度變送器，上位機(jī)，安裝附件等部件組成(圖5)。
圖5 單支連續(xù)熱電偶布置圖
圖6、圖7是以某工程項(xiàng)目4個(gè)圓筒儲(chǔ)煤倉為例，圓筒儲(chǔ)煤倉頂部的平臺(tái)處，預(yù)留十二個(gè)孔，將高強(qiáng)度連續(xù)熱電偶從各個(gè)孔中延伸而下。待到合適深度的時(shí)候，通過法蘭固定。通過補(bǔ)償導(dǎo)線將連續(xù)熱電偶的信號(hào)傳輸至專用溫度變送器，再通過溫度變送器轉(zhuǎn)變信號(hào)后傳輸至上位機(jī)，以顯示出圓筒儲(chǔ)煤倉內(nèi)部實(shí)時(shí)監(jiān)控的溫度信息。
圖6 連續(xù)熱電偶布局示意圖
圖7 高強(qiáng)度連續(xù)熱電偶儲(chǔ)煤倉系統(tǒng)圖
圓筒儲(chǔ)煤倉在常年的使用過程中存在超溫甚至自燃的隱患，必須對(duì)其煤炭?jī)?nèi)部進(jìn)行實(shí)施的溫度監(jiān)控，以控制圓筒儲(chǔ)煤倉的內(nèi)部工況，避免事故發(fā)生。
就目前的幾種圓筒儲(chǔ)煤倉的溫度監(jiān)測(cè)情況來看，使用連續(xù)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)是最先進(jìn)、最準(zhǔn)確也是最全面的一種監(jiān)測(cè)方式。連續(xù)熱電偶的成功制備能夠很好的應(yīng)用在圓筒儲(chǔ)煤倉的內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
作者：黃河，唐光明，王劍星，魏小明，申超，徐麗艷，趙彥，張忠模，李美成
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