筒仓安全监测系统的研究
　　一、概述
　　随着我国经济实力的增强，社会发展和环保发展的需要，近年来筒仓储煤也取得了比较迅猛的发展。工程实践的数量较多，特别是在煤炭行业中的应用也在逐步推广，相应的理论研究和设计技术也逐步完善。100多年来,伴随着社会经济的发展和科学技术的进步,世界各国筒仓的应用从粮食、建材、冶金、煤炭到电力行业,越来越广泛,筒仓的规模越建越大,现已达万t级,应用形式亦有了单仓、群仓等多种组合。可以说,筒仓的设计理论及施工技术都已达到基本成熟的阶段。
　　在我国,电力、煤炭系统储煤筒仓的应用亦由小到大经历了近30年的发展，但在港口行业，储煤筒仓尚处于起步摸索阶段。电力、煤炭系统的实践证明,筒仓储煤与煤场储煤相比有诸多优越性。首先,从经济角度讲,筒仓占地面积小,按整体布置考虑,在贮量相等的情况下,筒仓与煤场所用占地面积之比约为1∶3～1∶4。其次,从工艺角度讲,筒仓运行方式简单, 筒仓,作为贮存散状物料的设施,具有结构简单、使用方便、保护环境和减少占地等优点。一般认为,筒仓建设的基建和设备投资高于煤场储煤设施,但如果考虑到近年来土地征用费的大幅度提高、环保方面的要求及筒仓储煤所具有的良好的工艺性等因素,筒仓的功能、效益(包括社会效益)与投资之比应该是高于煤场储煤方式的,因此可以预测,筒仓储煤将是未来专业化煤炭码头储煤设施的一个发展方向。
　　超大型筒仓的出现,一是由于工艺设备对储煤容量的要求;二是基于经济性原因,筒仓的单仓容量越大,其单位贮量的投资越小。但是，筒仓越大,对筒仓的安全性要求也就越高。影响筒仓安全的因素是多方面的,如工艺结构是否科学、运行方式是否合理以及综合管理是否到位等均是不可忽视的方面。目前,国内各行业的大型及超大型筒仓,尤其是储煤筒仓在安全方面还存在着一些有待解决的问题,如筒仓储煤自燃现象普遍存在,甚至筒仓爆炸也时有发生,筒仓的工艺设计存在着弊端,安全监控系统不够完善等。煤矿系统筒仓的爆炸一般是由于仓内瓦斯(CH4)排放不利,遇火源而引发。而电厂筒仓的储煤自燃所涉及的因素则是多方面的,其中仓内储煤的煤种(主要影响因素是挥发分的比率,比率越高,则储煤的自燃几率越大)及来煤进仓前在室外存放的时间(室外存放的时间越长,氧化的程度越高,进仓后就越易自燃)等是最基本的因素。同时,储煤的自燃又与筒仓的工艺结构形式有关。工艺结构形式阻碍煤的流动,则煤易滞留,久之则自燃。电厂储煤筒仓之所以存在着诸多隐患,究其原因,主要是迄今为止国内不论是单仓还是群仓,其主要功能大都是以缓冲、混煤为主,总容量小,贮存周期短,都未从设计上周密考虑防燃防爆等措施。本文主要对超大型储煤筒仓在专业化煤炭码头应用中的工艺性、安全性和可靠性等问题进行了研究。
　　二、筒仓监测系统的主要研究内容
　　（一） 筒仓安全监测系统
　　1、筒仓内连续料位监测方式及与仓底出料口轮换的分析研究
　　仓底两条皮带机的工作轮换：在混配煤作业时，因为配煤比例的不同，CCR通过仓底活化给料机控制每个筒仓出料口的出料能力。为预防各出料口不均造成的筒仓料位不平衡，当单条皮带机运行时，根据作业筒仓皮带机后的皮带称预设定值，在两条皮带机间自动切换工作；利用料位测量装置检测筒仓内煤位的不平衡，当出现不平衡时自动切换至另一条皮带机工作，料位检测的联锁切换高于皮带称的联锁切换。
　　仓底单条皮带机下三个出料口的工作轮换：在混配煤作业时，因为配煤比例的不同，CCR通过仓底活化给料机控制每个筒仓出料口的出料能力。为预防单条皮带机3个出料口出料不均造成的筒仓料位不平衡，当单条皮带机少于3个同时工作时，3个出料口应定时轮换。
　　料位测量装置：每个筒仓设置六套雷达式料位计并与六个出料口相对应，连续料位测量时，监控管理系统将根据进出料点的变化修正测量结果；每个筒仓设置二套电容式高料位检测开关（设于筒仓,转自[星论文网]www.starlunwen.net上部中间两个布料口側）并与进煤皮带输送机连锁以保证进仓作业的连锁运行，高料位检测开关设置于筒仓入料口以下1m；每个筒仓设置六套电容式低料位检测开关（设于筒仓底部各出料口）并与出煤皮带输送机连锁以保证出仓作业的连锁运行，低料位检测开关设置时根据筒仓垫底煤层高度确定；雷达式料位计和电容式料位检测开关通过数据通讯（PROFIBUS-DP）与CCR PLC传送相关数据。
　　2、筒仓内连续式温度监测方式的分析研究
　　系统功能简介：测温元件铺设在煤仓内部进行工作，测温元件是一种能够探测一条连续路线上存在的最高温度的线状温度传感器，应用工业监控技术可以确定最高温度出现的位置，它与普通热电偶不同之处在于它的热接点不固定，而是始终与电缆上的最高温度相对应。本方案测量元件利用热电效应，能够连续产生与其长度所及范围内之最高温度相对应的毫伏信号，可用来连续探测监控区域的最高温度。使用现场测控单元接入系统，对煤仓内的各温区温度进行实时监测。
　　测温电缆又称“连续”热电偶，它利用热电效应原理能够在其长度所及范围内产生与最高温度相对应的毫伏信号。它与普通热电偶不同之处在于它的热接点不固定，而是始终与线缆上的最高温度相对应。当线缆上任何一点（T1）的温度高于其它部分的温度时，该处的热电偶导线之间的绝缘电阻（R）降低，导致出现“临时”热电偶接头，其作用与常规单接点热电偶接头相同，当线缆上另外一点（T2）的温度高于（T1）点时，该处的热电偶导线之间的绝缘电阻会变的低于（T1）点的电阻，导致出现新的“临时”热电偶接头。
　　温度测量系统由设在中控室的计算机、筒仓内的测温电缆（每个筒仓分为四个温度检测区域并均匀设置4根测温电缆，CT2C穿钢管沿仓壁敷设或用钢丝固定沿区域中间垂下并底部重锤固定）、通讯板和其它配件组成，其组成为：4线x8仓x4点；在每个筒仓壁下部及底部布置12个铂热电阻测温点，测点深入筒仓内的深度应不小于250mm，测温范围应达到-20℃～ 240℃，测点精度为Ⅰ级；计算机将从每个测温点巡检并读出数据，实时显示筒仓温度，设定温度超限报警值，其信号传输给监控管理系统；当温度超限后可将煤炭外运或启动惰化系统。
　　系统控制主机软件功能：主画面为煤仓布置情况、各区域的温度情况及报警情况；区域温度超限(温度上限及温升速率上限) 自动报警功能；有实时趋势显示功能。实时趋势曲线可以分析各区域温度实时及历史变化情况及趋势。(包括温度超限分析、温度趋势分析、温升速率超限分析)；方便、快捷的报警温度设置功能；历史数据的存储。
　　3、筒仓内可燃气体在线监测方式的分析研究
　　可燃气体浓度测量系统采用可燃气体浓度红外检测和可燃气体浓度气体采样检测俩种方式。主要包括对一氧化碳CO、甲烷CH4、乙烯C2H4、乙烷C2H6和丙烷CH3CH2CH3等复合浓度进行检测。
　　(1)可燃气体浓度红外检测
　　检测范围为对现场4线，每线8个仓进行可燃气体气体检测，每个仓上设置一个检测点；实现方式为使用红外探头对现场的可燃气进行检测，并将数据通过RS485modbus RTU总线传输至PLC。由于NIMBUS检测探头采用先进的红外吸收式原理，具有检测精度高，响应时间快，抗中毒，使用寿命长，免维护（平均无故障时间长达7年）等优势，具有温度补偿功能，可通过专用软件远程对探头进行配置，维护和故障诊断，而总线传输方式具有节省电缆，节省I/O的成本优势。
　　(2)可燃气体浓度气体采样检测
　　在每个筒仓内顶部设置2个固定式现场采气头；每8个仓为一线共16个固定式现场采气头作在线巡检分析；共为4线；现场采气头采集出来的气体通过管路及阀组被引至气体分析系统,逐个进行分析(分析完后自动对管道进行反吹)，每个采集点都得到CO、CH4复合浓度的数据,并且示出最高值。
　　气体采样系统可以使用在极其恶劣的环境中(例如潮湿，高温，高粉尘，空间狭小，炉体内部等环境），用以检测各种有毒有害气体或可燃性气体。它具有设计灵活，使用简便，实时检测，反应迅速，维护量小等特点，能最大程度满足现场的各种要求。
　　每条线由1套在线气体分析系统、16套独立的采样回路和巡检切换装置组成，系统包括各种采样部件如降温装置、过滤装置（除尘除水装置）、流量计和流量控制单元、泵、传感器、变送器、控制器等。采样管接入采样系统后：首先样气将通过降温装置冷却后进入过滤装置除水除尘，如果粉尘较多，可以选择二次过滤甚至三次过滤；然后样气会进入流量检测系统，一旦发生流量故障可输出4-20m电流或开关量报警信号至控制器，由控制器发出报警；之后气体会通过强力采样泵进入流量计，通过流量计将流量控制在1升/分钟以下后进入传感器室（可以多达4个传感器，检测4种不同气体）中进行检测；最后变送器将传感器的信号转化为4-20mA信号并传送到控制器上显示出来并通过控制器上的RS485modbus RTU接口将信号进行远传；通过校准和吹空管线，对系统进行定期校准和吹空；整个系统的电磁阀通过一个独立的控制器按照事先的编程进行控制。
　　循环采样系统通过一台工控机对电磁阀进行控制，来实现每个采样通道的通断，从而进行循环顺序采样。用户可以通过专用采样软件对采样顺序，周期进行控制；同时为了避免采样周期过长，系统还配备了一个备用采样泵，可以在主泵工作的同时，采集下一个采样点的气体，大大缩短了采样时间；每个采样点切换时，系统自动对采样回路内进行吹扫，避免了交叉反应。
　　4、筒仓内烟雾浓度监测方式的分析研究
　　烟雾浓度测量装置：在每个筒仓上部顶板上设置2套烟雾浓度测量装置，其烟雾浓度测量装置报警信号传输给监控管理系统；烟雾浓度报警值为Ⅰ级、危险值为Ⅲ级，其定义根据GB4715《点型感烟火灾探测器技术要求及实验方法》中规定；当烟雾浓度测量装置报警后可将煤炭外运或启动惰化系统。
　　（二）筒仓的安全设施
　　1、根据煤炭的种类、燃烧特性、储存时间确定需注入惰性气体的筒仓数量和浓度分析研究
　　根据现行国家设计规范规定,高挥发分易自燃煤种，按照国家煤炭分类，干燥无灰基挥发分大于37%的长烟煤属高挥发分易自燃煤种。对于干燥无灰基挥发分为28%～37%的烟煤，实际使用中因其具有自燃性亦应视作高挥发分易自燃煤种。
　　煤炭的自燃主要经历水分蒸发、氧化、自燃三个阶段。对煤筒仓而言，储煤被空气中的氧气氧化是其自燃的根本原因。煤中的碳、氢等元素在常温下就会发生反应，生成可燃物CO、甲烷及其它可燃气体。
　　储煤自燃的影响因素主要包括：供氧条件和氧化程度、煤对空气中流态氧的吸附能力、环境温度、存放时间等。
　　惰性气体系统由惰性气体供应装置、控制组件和供气管道组成。惰性气体供应装置用于储备惰性气体并向防护区注入惰性气体，以降低保护区内的易爆粉尘、可燃气体及氧气浓度。惰性气体系统与筒仓安全监测系统联动，根据安全监测系统的温度测量装置、烟雾浓度测量装置、可燃气体浓度测量装置的报警级别，在有CO出现，煤温升到70～100℃，已经有自燃倾向时启动惰性气体系统。
　　2、确定惰性气体注入口的位置
　　煤暴露于空气中，表面与空气充分接触，同时空气通过煤块之间的间隙渗透到煤堆内部，给煤堆内部氧化创造了条件。因此，煤筒仓内煤层表面至筒仓顶板、储煤区、筒仓底部出料口处均应设置惰性气体注入装置。
　　3、保证筒仓内惰性气体的浓度及封闭措施研究
　　筒仓顶板上安装充气装置，将惰性气体充入筒仓中，置换出煤层表面的可燃性气体和空气；环绕筒仓壁墙预埋充气组件，向煤层中充入惰性气体，排除出煤层中的可燃性气体和空气；在筒仓底部设置锁气组件，向卸煤口处充入惰性气体，锁住卸煤口。
　　筒仓内惰性气体充填系统应与筒仓内安全监测系统、通风系统联动，并设置喷射报警信号和延迟喷射装置，已避免对现场人员造成伤害。