圆形煤场防自燃监测系统设计

张春光，李 波，欧阳兴东，何楚峰，宋振霆

（1.广州发展燃料港口有限公司，广东 广州 511457；2.华北电力大学，河北 保定 071003）

圆形煤场防自燃监测系统设计

张春光1，李 波1，欧阳兴东1，何楚峰1，宋振霆2

（1.广州发展燃料港口有限公司，广东 广州 511457；2.华北电力大学，河北 保定 071003）

随着环保要求的不断提高，不少火电厂开始用圆形煤场来替代条形露天式煤场。两者相比，圆形煤场拥有存煤时间长、环境污染小等优点。但是，圆形煤场中的煤长期贮存容易自燃，不仅有可能烧毁圆形煤场的建筑结构，还可能损失储存的煤炭资源。因此，通常情况下，圆形煤场会采取一系列有效的消防措施或监测系统来预防煤堆的氧化自燃。简要阐述了圆形煤场的性能特点和煤场内易发生自燃的区域，在此基础上选用合适的传感器，通过布置合理的探测点全面监测煤场内部情况。运用LabVIEW编制控制软件，能够显示数据和图表。将传感器布置在圆形煤场内实时监测数据，并将其送往下位机电路进行数模转换和报警判断，然后在上位机界面安装数据与图表显示的火电厂圆形煤场防自燃监测系统。

圆形煤场；防自燃监测系统；传感器；电路设计

1 背景及意义

随着电力工业的迅速发展，火电厂单机容量逐渐向高参数、大机组的方向发展。因此，为了确保机组燃煤需求，火电厂燃煤贮存规模也逐步向大容量发展。封闭圆形煤场的出现改变了传统露天条形煤场占地面积大、严重污染环境等问题[1-2]。由于封闭圆形煤场有诸多优点，比如占地面积小、场地利用率高、环境污染小、程控水平高、配备技术先进等，得以广泛运用。但是，与其优点相对，其缺点也十分明显，其中，最突出的就是封闭空间内煤堆极易因氧化还原反应而发生自燃。煤场一旦发生自燃现象，不但会使大量储煤被烧掉，造成浪费，还会严重破坏附近的煤场设备和建筑，威胁技术工作人员及相关人员的生命安全。因此，煤场往往需要配置完整、全面的安全监测与保护设备来保证圆形煤场设备的安全、可靠运行，同时，研究煤场的防自燃问题，在圆形煤场布置合理、全面的防自燃监测系统是极其重要的。这样做，可以有效监测圆形煤场内的温度、气体浓度等，发现险情时及时报警通知相关工作人员，而且还能够帮助工作人员全面、准确地了解煤场内部的情况。

2 防自燃监测系统的方案设计

相关人员研究现有的火电厂煤场防自燃监测系统，发现其拥有较高的精度，且更高抗干扰性的分布式光纤测温系统的成本也高，平时维护需要的各类费用与人工也相对较多[3]；相反，运用无线或有线传输方式的测温系统，例如红外热成像监测系统，虽然在精度和抗干扰性上不及光纤传输，但它的成本和人工维护更加低廉、简便，相对来说更适用于各个火电厂的煤场。在此基础上，要想提高测温系统的精确度，就要在布置传感器位置、编辑上位机软件方面下功夫。

本文设计的圆形煤场防自燃监测系统合理布置各类传感器，全面监测煤场内部各类能导致煤堆自燃的因素，并通过上位机进行有效数据查看和报警提醒来防止圆形煤场发生自燃。在此过程中，运用单片机和传感器进行下位机的硬件设计，用LabVIEW进行上位机软件编制，以构成一个完整的监测系统。

2.1 圆形煤场的性能特点

圆形煤场具有以下几个特点：①煤场场地利用率高，占地面积小，相对煤储量大。②设备技术先进，自动化程度高，堆取作业可通过控制室程序控制，方便工作人员技术操作。③遵循先进先出的堆取作业原则，减少旧煤剩余量，能在一定程度上防止煤堆自燃的情况发生[4]。④封闭程度高，在减少粉尘对外部环境污染的同时，也降低了外部环境，比如天气、风雨对煤堆储存造成的不利影响。⑤造价与普通露天煤场相比较昂贵，且技术要求高。对储存煤质煤种的要求高，如果不能及时通风，会导致煤场内可燃气体浓度急剧升高，引发自燃。

2.2 主要测量位置的确定

对于储存在煤场的煤堆，不同区域，周边温度、湿度和空气的接触面与该区域煤质的不同，其引发自燃的概率也是不同的。因此，在设计监测系统时，也需要关注不同的区域。

2.2.1 煤堆底层的周边容易发生自燃

一般的煤堆中都含有大量块状物，这些块状物主要是由煤矸石构成的。煤矸石是煤矿开采过程中采出的废矿石，含有大量的金属氧化物，容易发生自燃。煤炭落地时会因为离析作用而使其中大部分的块状物集中于煤堆底层，因此，煤堆底层周边易成为自燃高发区。

同样，在煤堆中，块状物多集中在煤层下2 m左右的地方，这使得煤层空隙较大，与空气接触面大，易发生完全氧化反应，生成二氧化碳。而在更深的煤层，与空气接触面积比较小，所以，会发生不完全氧化还原反应，生成硫磺。氧化反应会放出大量热，又因为处于煤层内不易散发热量，从而使煤堆的温度不断升高，进而导致自燃。

2.2.2 煤堆的交汇处易发生自燃

煤堆中的块状物本就集中在煤堆底部周边，而在两煤堆的交汇处，更是聚集了大量的块状物，并且此处煤层堆积较少，受到的挤压较小，因此，其间空隙较大、较多，如果是2种不同煤质的煤堆相交汇，会使得此区域成为一个氧气充足、热量扩散快的自燃高发区。

2.2.3 煤堆的断面疏松区易发生自燃

在堆放、存储煤炭的过程中，往往会因为各种各样的原因出现密集度不同的疏松区和密实区。通常情况下，密实区是由颗粒度比较小的煤块积压在一起造成的，疏松区则集中了大量块状物。一般情况下，疏松区的孔隙率比较大，拥有较好的供氧条件，因此，与密实区相比更易引发自燃[5]。

对于整个圆形煤场而言，较大的占地面积与广阔的内部空间使得监测系统难以同时做到全面覆盖与精确监测。但两者对监测系统都十分重要，全面的监测有利于工作人员及时掌握整个煤场的总体情况，精确监测则能够针对事故多发区域。因此，本文设计的防自燃监测系统在对整个圆形煤场进行整体监测的同时，也对以上煤场中煤堆自燃多发区域进行重点监测。

3 监测系统的硬件电路设计

在圆形煤场中布置传感器时，先要确定圆形煤场的基本规格。因此，以直径为120 m，高65 m，面积为22 620 m2，侧墙高15 m，可储煤1.3×105t的圆形煤场为例，设计硬件电路。

3.1 温度传感器的布置

横向上，在圆形煤场0°～300°范围内，沿内壁每隔50°安装1个温度传感器，共6个；纵向上，从侧墙底部开始，每隔2 m向上安装1个温度传感器，共7个。同时，在堆取料机中心柱上每隔120°安装1台线式红外测温仪，共3台。这样布置安装能够全面监测煤堆表层温度，并兼顾到整个圆形煤场，一旦其中某个传感器测得的温度超过40℃的警戒值，工作人员收到报警后也可以根据报警位置快速确定事故发生区域。

3.2 可燃气体检测器的安装布置

在平时装卸煤的工作中，储放在煤场内的煤往往会受到各种挤压，摩擦而使煤块粉碎破裂，这使得煤块中含有的微量可燃气体逐渐被放出。当大量的可燃气体积聚在煤场内部时，极易导致煤堆自燃。因为可燃气体（本设计重点关注一氧化碳和甲烷）与空气相比较轻，所以，要重点监测煤场的上半部分和通风排气口，具体布置如下。

3.2.1 固定点

在高30 m的半圆形钢网架处，绕煤场一周均匀布置8个气体检测探头，用于监测圆形煤场上部可燃气体的浓度。

3.2.2 动态点

在中心钢柱外伸的悬臂一侧，离中心柱从远到近均匀布置4个气体检测探头，使其能够做动态监测，与固定监测点互补。

3.3 粉尘浓度检测器的安装布置

煤炭堆存于圆形煤场时，由于卸煤、输送等机构的动作会使煤尘大量扬起，又因为煤场内的空间相对封闭，导致悬浮在空气中的煤尘浓度不断增大，且当圆形煤场内部温度足够高时，有可能引起煤尘爆炸。因此，为了能够全面监测粉尘情况，本设计采取以下布置方式。

3.3.1 固定点

在圆形煤场半圆形钢网架的底部，环绕煤场一周均匀布置8个激光粉尘检测探头，全面检测整个圆形煤场。

3.3.2 动态点

在中心柱堆料机外伸悬臂的下方，离中心柱从远到近均匀安装布置4个激光粉尘检测探头。当悬臂工作时，探头能够随着悬臂动作而改变监测位置，做到动态监测，同时，与固定点形成互补，确保做到全面、准确的监测。

硬件电路流程如图1所示，其需要具备以下功能：①接收传感器信号，并进行数模转换；②将接收到的电压值分别转换成对应的温度、浓度值；③将转换后的值与设定好的警戒值进行比较；④当检测值大于设定值时，蜂鸣器响，对应的报警灯闪烁。

图1 电路流程图

4 监测系统的软件设计

一般情况下，上位机是一个系统内起到显示和控制作用的主机。上位机发送信号给下位机，下位机再对各设备进行具体控制，然后反馈信息给上位机。本设计运用LabVIEW2014软件来进行上位机的程序设计，主要实现的功能有：下位机通过串口向上位机传输数据，煤场内温度、气体和粉尘浓度的界面显示，温度、气体和粉尘浓度的波形图表显示，超过警戒值后报警等。通过VISA，可以传输数据，再用字符串转数值的控件将数据格式转换为数值，通过数值显示控件显示出来，或用波形图进行趋势描绘。另外，将数值与设定警戒值进行比较，判断是否需要点亮布尔灯以报警。检测系统上位机界面如图2所示。

图2 检测系统上位机界面

5 总结

本文设计的圆形煤场防自燃监测系统选择PT100铂电阻温度传感器、光散射粉尘检测仪、催化燃烧式气体检测仪等作为安装在圆形煤场内部的检测装置，通过Proteus仿真软件，利用AT89C51单片机、ADC0809、3个LED灯、3个滑动变阻器和1个蜂鸣器进行预警电路的仿真设计，从而实现对3个不同输出信号的数模转换，并与设定值进行比较，判断是否需要蜂鸣器与报警灯发出报警动作，同时，还可以通过不同报警灯闪烁来判断到底是哪个输出信号超过限定值。在软件部分，使用LabVIEW软件编制上位机软件，并设计用户界面。通过此界面，用户可以从波形图表中看到较为全面的监测数据。

［1］艾至伟.燃煤电厂贮煤系统防尘技术研究［D］.北京：华北电力大学，2014.

［2］黄国斌.封闭式圆形煤场贮煤防自燃探讨［J］.中国高新技术企业，2010（19）：185-186

［3］白永强.分布式光纤测温技术在煤仓温度监测系统的应用［J］.煤矿现代化，2013（5）：85-86.

［4］刘冰.浅析圆形煤场的消防措施［J］.中国电力教育，2011（8）：147.

［5］韩宏彬.火电厂煤场自燃的形成特征及防控方法［J］.中国电力，2013，46（4）：98-103.

TD75；TP274

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.057

2095－6835（2018）01－0057－03

〔编辑：白洁〕