煤炭是我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎(chǔ)，一直以來在我國一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中占較大比重。在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，煤炭仍將是我國的主要能源之一。
對于煤炭的存放，我國自上世紀九十年代就開始使用圓筒儲煤倉，但發(fā)展至今仍有多處圓筒儲煤倉相繼發(fā)生煤炭自燃事故。雖然大多數(shù)“自燃”因撲救及時而未造成儲煤倉損毀的重大事故，但對儲煤的質(zhì)量影響、環(huán)境影響還是不可小覷。由此引出圓筒儲煤倉的“自燃”監(jiān)測和防范措施技術(shù)課題。本文提出用連續(xù)熱電偶監(jiān)測圓筒儲煤倉“自燃”，系統(tǒng)簡單、造價低廉，能有效監(jiān)測儲煤內(nèi)部各處氧化升溫，并能實現(xiàn)集中監(jiān)控，自由設(shè)置預(yù)警和報警溫度點。
圓筒儲煤倉煤炭超溫甚至自燃事故及特點
煤炭儲存場所是集中儲存煤炭的場所，煤炭的儲存根據(jù)儲煤場所一般可分為：露天儲存、半露天儲存、室內(nèi)儲存等多種形式，其中室內(nèi)儲存又分為圓筒儲煤倉、低下儲煤倉等多種形式。而現(xiàn)在根據(jù)國家對安全和環(huán)保的要求，已有越來越多的單位開始修建圓筒儲煤倉來進行煤炭的統(tǒng)一儲存。
1、圓筒儲煤倉煤炭超溫甚至自燃的事故
我國的圓筒儲煤倉發(fā)展至今，已發(fā)生過多起圓筒儲煤倉內(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煤倉相繼發(fā)生煤炭自燃事故，耗時三天至一周的時間才將火撲滅。
2009年7月29日14時16分，山東海化煤業(yè)化工有限公司一個30m的煤倉由于煤倉中煤炭長期存儲而引發(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)任公司運洗車間圓筒儲煤倉發(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煤倉內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備不夠完備，不能及時監(jiān)控儲煤倉內(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，對于圓筒儲煤倉內(nèi)部儲煤的溫度監(jiān)控至關(guān)重要。
2、當(dāng)前已有的圓筒儲煤倉內(nèi)部溫度監(jiān)控方法
目前在圓筒儲煤倉內(nèi)使用的溫度監(jiān)測方法有紅外線測溫儀、熱電阻實時監(jiān)測、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溫系統(tǒng)、連續(xù)熱電偶實時監(jiān)測法等方式。幾種測量方式對比見表1。
表1 圓筒儲煤倉監(jiān)控技術(shù)特點的比較
監(jiān)控方法 監(jiān)控范圍 測量溫度范圍 實施監(jiān)控 自動報警
紅外線測溫儀 點式 -25~1200℃ 否 否
熱電阻監(jiān)控 點式 -200~600℃ 是 是
智能溫度傳感器監(jiān)測法 點式 -55~125℃ 是 是
分布式光纖溫度傳感器測溫系統(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紅外線測溫儀或紅外線成像儀法
通過紅外線測溫儀或紅外線成像儀定期對煤倉底部和倉壁進行溫度測量，發(fā)現(xiàn)溫度出現(xiàn)異常時，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，無法做到實時監(jiān)控，需要安排工作人員定期到現(xiàn)場巡查，且這種通過這種紅外線小型儀器所能夠監(jiān)測的范圍窄，效率底。不能反映圓筒儲煤倉內(nèi)部儲煤溫度的普遍情況。
②熱電阻實時監(jiān)測法
通過插入式熱電阻選取數(shù)個煤倉內(nèi)部的溫度點進行溫度監(jiān)控。這種方式可以實現(xiàn)儲煤倉內(nèi)數(shù)個溫度點的實時監(jiān)控，而由于熱電阻的“點式”測溫的特性，測量范圍相對狹窄有限，不能反映圓筒儲煤倉內(nèi)部儲煤溫度的普遍情況。
③智能溫度傳感器監(jiān)測法
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DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。但是，并聯(lián)數(shù)量最多只能8個，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。DS1820測溫范圍為-55~125℃，難以實現(xiàn)高溫測量。測量結(jié)構(gòu)以9位數(shù)字量方式串行傳送，因此在對DS1820進行讀寫編程時，必須嚴格保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(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溫系統(tǒng)
基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器可測量光纖沿線的溫度分布信息，可以實現(xiàn)煤倉多點溫度在線實時監(jiān)測。但該種測試方法由于光纖較脆，在流動的煤倉中容易折斷而喪失測量的功能。
目前國內(nèi)分布式光纖測溫系統(tǒng)的空間分辨率最優(yōu)僅能達到1m，該系統(tǒng)實時測量值為最小空間分辨率的平均溫度，如果出現(xiàn)某點過溫情況，該系統(tǒng)的測量溫度與實際溫度容易出現(xiàn)較大偏差，從而出現(xiàn)誤報、漏報等嚴重后果。
市面常見的光纖耐溫較低(-50~350℃)，而高溫光纖則價格高昂(如銅光纖、鋁光纖、金光纖等)，且信號解調(diào)系統(tǒng)同樣價格不菲，因此分布式光纖溫度傳感器測溫系統(tǒng)難以成為首選。
⑤連續(xù)熱電偶實時監(jiān)測法
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產(chǎn)生對應(yīng)的毫伏信號。測量溫度范圍-40~880℃，彎曲半徑可達連續(xù)熱電偶線纜外徑的10~20倍。由于連續(xù)熱電偶可實現(xiàn)實時連續(xù)測溫，且耐溫較高，與前面幾種方式對比有明顯的優(yōu)勢。
高強度連續(xù)熱電偶在圓筒儲煤倉的應(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傳感器外層保護鎧甲，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(也可以是同溫度的多點或一段)的溫度T1超過感溫段其余部分的溫度時，該點兩熱電極之間的熱敏材料的電阻就會降低，從而在T1點形成一個“臨時”測量端。此時連續(xù)熱電偶就像一支普通的熱電偶，兩熱電極之間產(chǎn)生一個和溫度T1相對應(yīng)的熱電勢。如果感溫段出現(xiàn)更高的溫度點T2(T2＞T1)，則T2點熱電極間熱敏材料的電阻就會降得比T1點更低，從而一個新的“臨時”測量端就在T2點產(chǎn)生了，同時熱電極之間又輸出一個和溫度T2相對應(yīng)的熱電勢。連續(xù)熱電偶就是這樣一支測量端跟隨最高溫度點位置不斷“移動”的熱電偶，感溫段上哪個點的溫度高，測量端就跟隨到哪，連續(xù)熱電偶的輸出熱電勢總是和感溫段上存在的最高溫度相對應(yīng)。
圖2 連續(xù)熱電偶工作原理圖
2、新型高強度連續(xù)熱電偶
關(guān)于連續(xù)熱電偶測溫系統(tǒng)實時監(jiān)測圓筒儲煤倉內(nèi)部溫度，可通過將數(shù)根足夠長度的連續(xù)熱電偶置入圓筒儲煤倉內(nèi)部進行溫度的實時監(jiān)控。這是一種新型的監(jiān)測方法，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的溫度信號，因而可以實時監(jiān)測煤倉內(nèi)部較大范圍的溫度情況。根據(jù)儲煤倉直徑的大小，一個煤倉可對稱布置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)即可實現(xiàn)煤倉內(nèi)全方位監(jiān)測的目標。此類“線狀”測溫技術(shù)代表圓筒儲煤倉內(nèi)部測溫的前沿技術(shù)。
圓筒儲煤倉溫度監(jiān)測系統(tǒng)包括檢測儲煤倉內(nèi)部煤堆溫度的連續(xù)熱電偶、溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測箱和上位機監(jiān)測系統(tǒng)。
連續(xù)熱電偶可以實時監(jiān)測儲煤倉內(nèi)煤堆內(nèi)部溫度，進而全方位立體式反映儲煤倉內(nèi)部煤層各處最高溫度以及最高溫度升溫速率的實時狀況。
溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測箱在儲煤倉現(xiàn)場實時采集、變送連續(xù)熱電偶傳輸數(shù)據(jù)，并傳輸至上位機，在溫度超限時發(fā)出報警信號。上位機監(jiān)測系統(tǒng)可以在軟件模擬圖上實時顯示所有溫度數(shù)據(jù)，并在溫度超限報警的時候提示操作員進行處理。
一般場合使用的鎧裝連續(xù)熱電偶，為保證響應(yīng)時間，直徑通常為Φ2或Φ3，加之使用環(huán)境相對靜置、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。但在圓筒儲煤倉內(nèi)，由于卸煤時煤炭要產(chǎn)生漩渦式運動，煤炭與連續(xù)熱電偶外壁之間要產(chǎn)生強烈的摩擦進而使連續(xù)熱電偶外壁磨損變薄，同時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根禁錮鋼繩以保護連續(xù)熱電偶不受磨損，但同時粗糙的鋼繩表面以及緊固卡箍也增加了摩擦力，用不了一個月鋼繩也容易出現(xiàn)拉斷的現(xiàn)象。
因此，圓筒儲煤倉所需的連續(xù)熱電偶需要更高的強度要求。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傳輸至上位機，進行圓筒儲煤倉內(nèi)部溫度的實時監(jiān)測。
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)熱電偶信號處理
由于連續(xù)熱電偶的內(nèi)部阻抗很高，往往能夠達到kΩ級甚至MΩ級，直接采用普通K型熱電偶變送器會產(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、自動零點校準等先進技術(shù)，可實現(xiàn)連續(xù)熱電偶的采集和標準化輸出，且測量精度高，抗干擾效果好，能夠較好的配合連續(xù)熱電偶達到最優(yōu)的測溫效果。組成的系統(tǒng)可用來連續(xù)探測監(jiān)控區(qū)域(圓筒儲煤倉煤堆內(nèi)部)的最高溫度，對溫度的變化進行實時測量。
高輸入阻抗溫度變送器以連續(xù)熱電偶為測溫元件，將連續(xù)熱電偶信號進行線性化處理，轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號輸出，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、圓筒儲煤倉煤層溫度監(jiān)測系統(tǒng)組成
圓筒儲煤倉一般采用數(shù)個聯(lián)排的修建形式，在頂部(一般在30m以上的高度)修建一個連接所有圓筒儲煤倉頂部的平臺。圓筒煤倉內(nèi)部實時監(jiān)控系統(tǒng)由高強度連續(xù)熱電偶，接插式連接件，固定法蘭，補償導(dǎo)線，專用溫度變送器，上位機，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是以某工程項目4個圓筒儲煤倉為例，圓筒儲煤倉頂部的平臺處，預(yù)留十二個孔，將高強度連續(xù)熱電偶從各個孔中延伸而下。待到合適深度的時候，通過法蘭固定。通過補償導(dǎo)線將連續(xù)熱電偶的信號傳輸至專用溫度變送器，再通過溫度變送器轉(zhuǎn)變信號后傳輸至上位機，以顯示出圓筒儲煤倉內(nèi)部實時監(jiān)控的溫度信息。
圖6 連續(xù)熱電偶布局示意圖
圖7 高強度連續(xù)熱電偶儲煤倉系統(tǒng)圖
圓筒儲煤倉在常年的使用過程中存在超溫甚至自燃的隱患，必須對其煤炭內(nèi)部進行實施的溫度監(jiān)控，以控制圓筒儲煤倉的內(nèi)部工況，避免事故發(fā)生。
就目前的幾種圓筒儲煤倉的溫度監(jiān)測情況來看，使用連續(xù)熱電偶測溫系統(tǒng)是最先進、最準確也是最全面的一種監(jiān)測方式。連續(xù)熱電偶的成功制備能夠很好的應(yīng)用在圓筒儲煤倉的內(nèi)部溫度監(jiān)測領(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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