蜂窝型集束式煤仓在火力发电厂的应用

黄国新 朱雷 蒋新强

摘 要：蜂窝型集束式全封闭贮煤场，是具有国际先进理念及国内一流水平的现代化、自动化的储煤设施，它有效减少煤尘污染，节约土地资源，环保效益明显。本文主要介绍了蜂窝型集束式煤仓及与之配套的惰化系统、安全监测系统在华能长兴电厂的应用。

关键词：蜂窝型集束式煤仓；惰化系统；安全监测系统

0 引言

储煤设施是燃煤电厂的重要生产设施，储煤设施存煤量的多少以及对于减少损耗、防止自燃、环保、混煤等方面技术要求满足的程度，影响占用流动资金的多少，也影响发电运行的稳定性。

国内大型燃煤电厂主要采用传统条形煤场、圆形煤场等储煤方式。蜂窝型集束式煤仓贮煤方式则是以上二种方式以外的新型储煤技术。华能长兴电厂地处大气污染防治的重点地区，环境保护要求高，对电厂的节能和低排放限值要求较高，因此经多方论证，采用蜂窝型集束式煤仓作为贮煤场。是国内第一家采用蜂窝型集束式煤仓应用于大型电厂储煤的企业。

1 工程概况

华能长兴电厂“上大压小”工程为异地扩建2×660MW超超临界燃煤发电机组，同步建设烟气脱硫、脱硝装置。来煤厂外运输方式为水路船运，厂内码头采用挖入式港池布置，分设锚地和卸煤码头各一个。卸煤码头为1000吨级，提供8个泊位（包括远期扩建2个），安装6台300吨/小时桥式抓斗卸船机（预留2台远期扩建卸船机位置），年卸煤量330万吨，可满足2×660MW超超临界机组耗煤量的需求。燃煤由卸船机卸至卸煤线皮带机一路可送至蜂窝型集束式煤仓储存；另一路直接经上仓线将燃煤送至原煤仓。

2 蜂窝型集束式煤仓

2.1 蜂窝型集束式煤仓简介

华能长兴电厂蜂窝型集束式封闭储煤仓，长208.35米，宽60.45米，煤仓顶面高45m。整个仓体由48个正六边形钢筋混凝土蜂窝结构的小煤仓组成，呈四行集束排列（每行12个），形同筒状。单仓储量约4000吨，最大可储存约20万吨燃煤，可保证2台660MW机组20天的用煤量。蜂窝型集束式煤仓顶部布置四条堆煤皮带机，配置44套电动双侧犁煤器作为储煤仓的配煤机械。每个储煤仓下部配1个圆形钢漏斗，漏斗出口布置1台活化给煤机，总计48台。蜂窝型集束式煤仓底部布置四条出料皮带机，与活化给煤机配合使用。

仓内储煤长期存放，会使煤温度升高，因煤的导热系数较小，热量向四周扩散较慢，热量聚集在煤堆内使煤堆内部温度升高，当温度、可燃气体浓度达到一定数值后，煤的氧化速度随着加速，生成热也随之大幅增加，甚至可能引发爆燃等重大事故。为此整个系统装备了包括惰化系统、监测系统、防爆泄压系统和控制系统。

本系统48个储煤仓共用一套惰化保护、综合安全监测系统。当监测到危险信号，控制系统接收信号并发送，惰化系统逐级启动，采用锁、充、换对蜂窝型集束式煤仓进行全方位的惰化保护，同时防爆泄压装置打开排出可燃气体，有效达到防爆、控爆的效果，延长储煤的自燃和阴燃周期。整套系统采用全套自动（手动）控制系统，可实现无人操作。

防爆泄压系统包括重力式自动启闭防爆门及预开启式泄压门。

控制系统由智能前端、PLC控制柜、计算机工控系统组成。同时，采用各种抗噪声技术、包括阻容吸收、光电隔离、高共模抑制比、合理的接地和屏蔽，以防止就地元氣件因干扰而引起误动。制氮、传感器设备能在环境温度-40℃～300℃，相对湿度10%～95%的环境中连续运行，以适应输煤系统恶劣环境。

2.2 蜂窝型集束式煤仓的运行方式

2.2.1 进煤运行方式

卸煤码头布置的卸船机抓取燃煤经卸船机料斗卸至卸煤皮带机送至蜂窝型集束式煤仓储存。蜂窝型集束式煤仓顶部布置四条堆煤皮带机，配置44套电动双侧犁煤器作为储煤仓的进煤机械。

2.2.2 出煤运行方式

每个蜂窝型集束式煤仓下部配1个圆形钢漏斗，漏斗出口布置1台活化给煤机（额定出力200～900吨/小时），总计48台。蜂窝型集束式煤仓底部布置四条出料皮带机，与活化给煤机配合使用，经上仓线皮带机将仓内燃煤送至原煤仓。

蜂窝型集束式煤仓进煤按“同仓同批次”储存，严禁将设计煤种、设计混合用褐煤、校核煤种1和校核煤种2置于同一仓内。

单一煤种出煤，不考虑掺配，按温度、存煤时间、仓位依次出仓，一般采用一台给煤机最大出力运行，以缩短单仓存煤周期。

两煤种同时出煤时，配煤掺烧根据活化给煤机按1：1分配出力，总出力不大于加仓额定量（1100吨/小时）。根据现场实际情况对活化给煤机出力进行了初步优化调整。目前出力调整为160吨/小时至800吨/小时，这样既兼顾了单一煤种上仓效率，同时又满足两个煤种同时掺配的要求。

3 蜂窝型集束式煤仓惰化系统

目前的研究普遍认为：煤氧复合热效应与温度、氧气浓度、煤的粒径三者相对关联度较大。据有关研究资料考证，无论从压实煤层降低空气进入煤颗粒间的空隙、还是降低空气对流速度，都证明控制煤层间的含氧量是抑制煤自燃行之有效的方法。当氧含量降低至5%～10%以下时，可抑制煤炭氧化自燃，氧含量降至3%以下时，可完全抑制煤炭等可燃物的阴燃和复燃。因此在抑制煤自燃、燃爆方面，本系统设置充氮系统和上部通风系统。仓内充氮气依据DL/T 5203-2005《火力发电厂煤和制粉系统防爆设计技术规程》设计氮气惰化系统，通过向煤层内充氮气，更进一步地降低煤层中的含氧量。

根据煤仓特征，惰性气体缓注系统设计“锁气、充气、换气”装置，保证氮气能够最大程度地均匀渗入煤层，避免气体沟流情况发生，每个煤仓设计锁气、充气、换气管网共6层。

当煤仓安全监测系统监测到参数报警时，立即启动煤仓惰化保护系统对煤仓注入惰性气体，稀释煤仓内可燃易爆气体和氧气的浓度，抑制煤的自燃和阴燃，保障煤仓储煤的安全。

惰化系统控制运行策略为：

堆料（加仓）：加仓信号置1—→启动布袋除尘器；犁煤器信号置0延时30s—→停运布袋除尘器—→开启换气阀充氮气1h—→关闭换气阀。

出料（出仓）：出仓信号置1—→启动活化给煤机—→开启锁阀充氮气—→直至出仓停止（停运活化给煤机）—→关闭锁气阀。

4 综合安全监测系统

蜂窝型集束式煤仓监测系统包括温度监测、可燃性气体监测、一氧化碳气体监测、氧含量（含廊道）监测、烟雾监测、料位监测、系统控制及数据采集系统等，并采取相应保护措施

4.1 温度监测系统

煤的自燃要经历多个不同阶段，当煤堆煤温在常温至60℃时，煤样与空气接触后，吸附氧生成不稳定的氧化物，此时煤的氧化过程平稳而缓慢，氧化放热量很少，有微量的CO放出；如果煤温继续上升，从60℃上升至80℃，煤的氧化速度加快，水分开始蒸发，煤中不稳定的氧化物开始分解成水以及释放出CO、CO2气体。氧化产生的热量使煤温继续升高，达到自热的临界约为80℃，此阶段耗氧量有明显增加，CO的发生量也随温度上升而逐级增加；当煤温超过自热的临界温度80℃后，煤的氧化进程加快，随着煤温的升高，开始出现煤的干馏，生成碳氢化合物、氢以及CO等可燃气体；当环境条件能继续维持煤氧化自热的进行，则可能使煤温上升到煤的着火点而导致自燃，因此我们选择45℃这个临界中间点作为中级报警值，以70℃这个临界中间点作为高级报警值。当仓内任一温度测点达到45℃时，发出中级报警，充气层开始充气，以降低煤堆中氧含量，延缓煤的自燃，同时掺配时优先使用温度中级报警的蜂窝型集束式煤仓内的存煤，加快消耗进度，防止煤的自燃。

蜂窝型集束式煤仓锥斗端面温度传感器选用PT100，端面传感器座内充满保温材料防止热散失。当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增長。但它们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。

每个筒仓配置4套煤层多点测温缆式传感器，采用仓顶悬挂底部自由端安装方式，伸入筒仓煤层内部，48个筒仓共配置192套。

根据论文《煤堆自燃原因分析与防治措施》中的研究表明，储煤仓煤堆可分为3层：冷却层、氧化层、窒息层。冷却层为煤堆表层，约0.5～1.5m，松散，虽氧化反应，但散热好，不易自燃；氧化层：位于冷却层以下，厚度1～4m左右；窒息层：位于氧化层以下，煤层相对压实，供氧不充分，且含水率高，氧化程度低，不易发生自燃。因此储煤仓煤堆发生自燃的部位既不在煤堆的表面，也不在煤堆深部，而在煤堆表层1.5m以下。

根据《煤自燃实验过程中温度场的数值模拟研究》的实验研究表明，煤炭在自燃自热的过程中，高温点一般处于煤堆中部位置，靠近仓壁的位置由于存在热传导性，不易产生温度堆积。所以为了更加全面监测筒仓内各部位储煤的温度，根据实践经验，采用煤层多点测温缆式传感器来监测筒仓内煤层温度。

4.2 可燃气性体监测

综合气体检测装置，对碳氢化合物（CH4）、CO、O2、烟雾采用抽取式气体采样系统。据相关研究资料表明，可燃气体主要成分为碳氢化合物（CH4）、氢气（H2）和一氧化碳（CO），方仓内可燃可爆气体通过在方仓顶部安装的高精度过滤采样探头、经采样泵收集仓内气体由采样管线至分析箱内进行分析。

所有监测探头均安装于分析箱内，通过抽气泵采集样气（采样流速7.3m/s；采样泵出口压力2.5bar；采样泵入口真空度160mbar），采用并联式气体传输结构，有效降低作用在传感器上的流速、压力，使之测量更精确。装置还配置有反吹系统，对高精度过滤采样探头及管线进行反吹，防止采样探头堵塞。

储煤仓顶（底）部皮带两侧走廊氧气、一氧化碳监测主要用来保证人身安全，由于仓内的气体有可能泄露，因而对于在煤仓上部及下部廊道从事工作的人员的人身安全尤为重要。缺氧会导致人窒息，一氧化碳浓度超标会导致人员中毒。

根据国家标准《QSY1242-2009进入受限空间安全管理规范》要求，受限空间内外的氧浓度应一致，若不一致，在授权进入受限空间之前，应确定偏差的原因，氧浓度应保持在19.5%～23.5%。因此，煤仓仓顶部皮带走廊O2浓度报警值设定：19.5%vol；皮带走廊CO浓度报警值设定值：20ppm。

6 蜂窝型集束式煤仓与其他储煤方式的比较

首先，蜂窝型集束式煤仓的煤场征地面积小、土石方量少、场地利用率高，并且仓壁可公用且单位占地储煤容量大，布置可以更紧凑并可降低造价；其次，整个煤仓处于全封闭结构，存放燃煤不受气候条件影响，工作时给料均匀，有效减少筛、碎设备及落煤管的堵煤现象，以保证厂内运煤系统能长时间在额定工况下运行；其次，采用的设备性能先进可靠、自动化程度较高，有利于实现自动化控制，系统堆料、取料作业的可靠性提高；再次，封闭式结构避免了煤仓内的煤尘外逸污染环境，具备环保优点；最后，多个煤仓的运行组合方式较多，其设备的备用率高，运行系统更加灵活，可以适应混煤工况。

从另一方面来说，首先该类型煤仓的土建及设备投资巨大，施工期较长，对于高挥发分煤种需要设置监测系统和惰化保护设施，其次每座蜂窝型集束式煤仓边角的物料流动性差，虽然已采取了喷射混凝土，消除死角的措施，还是需要在运行中定期采取针对性的检查，防止搭桥积煤。

7 结束语

不断问世的大机组、大容量电厂对贮煤的要求日益提高，贮煤场正朝着大型化或巨型化的趋势发展。蜂窝型集束式煤仓由于其固有的特点，不仅将有助于减小对既定煤源及外部条件的依赖程度，提升煤炭采购便利性、多渠道化，合理控制生产成本，增强电厂的生存能力，并且在环保方面有着巨大的优势，在电厂的应用将越来越广泛。

华能长兴电厂在贮煤方式上进行了有益的尝试和探索，其蜂窝型集束式煤仓自投用以来一直处于安全稳定运行中，为电厂取得了巨大的环保效益和经济效益。

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