煤矿地面储煤仓碳纤维电加热防堵设计与应用

冯 驰

0 前言

青磁窑煤矿于1983年开通了铁路运煤专线，并建有储量为4 000 t的储煤仓，可直接装载火车。该储煤仓由18个小方仓组成，分东西两列沿南北走向布置，每列9个仓，每个仓储煤220 t。应客户需求，平均每2～3天发一列火车。

该储煤仓所处地势较高，全年多风，昼夜温差较大，夜间气温较低，冰冻期5个月。以下为近3年的平均气温表。

表1 青瓷窑煤矿近3年的平均气温表

储煤仓煤中含水率为6%～8%，装车频率较低，进入冬季若不采取有效供暖防冻措施，18个小仓下部的铁质漏煤嘴及闸门将全部冻结，液压系统冻结甚至损坏，短时间内无法解冻装车，严重影响煤炭正常发运。

往年该矿使用燃煤锅炉向储煤仓底部鼓吹热风实现防冻目的。由于18个漏煤口无法封闭，导致大量热量散失，在极寒天气，难以达到预期效果。为此本文开发设计了一套低成本、低能耗、零排放、安全可靠的电加热系统，解决了储煤仓防冻难题。

1 电加热系统设计

1.1 电热体的选用

储煤仓的加热不同于其他设备加热，加热温度过高可能引发煤自燃或释放有害气体。综合使用安全和成本、能耗，故选择碳纤维电热膜为加热体。

碳纤维电热膜属于半导体新型材料，制热方式与普通电热丝不同，它是由碳纤维分子震荡碰撞做布朗运动而产生远红外线进行制热，功率密度为200 W/m2～400 W/m2，电热转化率高，具有发热均匀、能耗低、对人体无伤害、耐腐蚀、老化速度慢、使用寿命长和一定程度的防水性等特点，是理想的储煤仓加热体[1]。

1.2 温度控制设计

电加热系统的电气保护主要有过流、过压、欠压、漏电等，确保整个系统的安全可靠。电加热系统的温度控制部分关系着系统是否安全可靠使用的关键，若温控失灵，则会产生过加热或冻结等后果。为了确保温度控制安全可靠，该系统采用了双重温度控制方式，一套以西门子PLC、模拟量模块、温度变送器、温度传感器探头等设备进行程序命令的执行实现恒温控制，另一套以K型温控器和K型温度传感器进行控制，两套温控形成一主一备确保温控时刻有效，其控制原理设计见图1。

图1 电气原理图

当闭合QF断路器后，按SB1启动按钮，KM主电源接触器吸合，过欠压保护器自动吸合，将QF1-QF9漏电保护断路器闭合，各电源和控制部分完成基本送电，进入到自动控制阶段。K型温度控制器启动即K1-K6，它根据设置好的温度值分合K1-K6常开触点，从而对KM1-KM6加热组进行恒温加热控制。为了防止K型温度控制器内的继电器长时间高频次使用造成损坏，该系统又通过PLC温控程序进行备用控制。比如对储煤仓进行30℃加热。K1设置的温度为30℃，则发热体28℃以下时K1吸合，温度升至30℃时K1断开。PLC程序编成35℃时J1动作吸合，J1常闭触点断开，KM1断开。温度降至32℃以下时J1释放，J1触点闭合，KM1闭合开始加热。若K1无法断开，则温度持续升至35℃时J1动作断开KM1电源，结束加热，温度降至32℃时开始加热，如此便避免了K1无法断开造成的过加热问题。若K1无法闭合，当温度降至25℃时，远程监控电脑发出低温报警，监控人员通过远程操作吸合J7，KM7动作，断开所有K型温控器，并短接K1-K6触点，温控完全使用PLC实现。维修人员立即前往现场断开QF断路器，更换K型温控器。

1.3 温度监控系统设计

为了降低建设成本和后期维护使用成本，该系统采用多个储煤仓闸门集中温控，如此一来就不能准确的掌握每个储煤仓闸门的温度值，为了避免其他因素引起系统异常，且综合成本控制和设备动态监控的完整性，该系统所有发热单元上安装了温度传感器，并将数据传至远端电脑进行监控，实现系统安全、可靠、廉价、稳定的使用效果，

监控系统所用的传感器为DS18B20温度传感器，安装探头时只需将安装位置和探头编号记录清楚，将编号顺序按安装位置顺序输入到温度采集器中，温度采集器便可按顺序采集储存温度值。

温度采集器的通讯方式为RS485总线方式，RS485光电转换器通过光缆将RS485信号传至监控室，再通过RS485转RS232无源装换器将信号转换后接入电脑。

本系统使用的西门子PLC，S7-200SMART，自带以太网端口，用以太网光电转换器通过光缆将型号传至监控室，接入电脑网口即可。监控系统图见图2。

图2 监控系统图

监控电脑使用组态软件对温度采集器和PLC进行组态，可显示温度采集器传来的每个传感器的数据，并将其编写超温报警、低温报警等功能命令，实现对各加热单元的实时监控、历史温度查询分析，运行状态显示等功能，实现自动化、智能化的使用目的[2]。

1.4 视频监控系统设计

为了加强电加热系统使用安全管理，该系统的关键位置安装了视频监控摄像头。当系统发生故障时，维修人员可根据视屏图像观察大致情况，配合监控电脑提示信息进行相关操作。

由于各监控点位置较近，摄相机采用POE供电方式，节约了电源线的使用。视屏信号通过POE交换机和光电装换器将信号传至监控室，硬盘录像机进行图像存储，存储期一个月。

1.5 电加热单元的安装设计

由于该电热膜自身发热量小，所以安装使用过程中必须要配合一定的保温措施，才能达到设备的防寒目的。安装时需将电热膜贴在加热体上，再将电热膜用保温棉覆盖，让热量只向需要加热的地方传导。保温棉需使用铝箔包裹的耐高温硅酸铝棉，铝箔可反射电热膜所产生的远红外波，而耐高温硅酸铝棉可避免电热膜起火（小概率事件）导致的火势蔓延。

闸门上的电加热单元安装在采用5 mm铁板加工成厚度为50 mm的铁壳内，壳体焊接在闸门上，保护壳留口制盖，方便电热膜、保温棉的插入和良好的密封性，电热膜保护壳及安装见图3。

图3 电热膜保护壳及安装示意图

1.6 线缆的布设方法

由于温度传感器总线极易受到干扰，影响数据传输，所有电源线和信号总线必须使用屏蔽电线，且间隔0.3 m以上，并分别布设电缆桥架或者穿镀锌铁管。

DS18B20温度传感器总线必须采用线径大于0.75的屏蔽线，采用普通屏蔽线时总线距离不宜超出50 m。本次设计采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线分别接地线和信号线，另一对线接VCC和地线，屏蔽层在源端接地。

1.7 储煤仓底部保温措施

为了防止储煤仓底部倒梯形体因温度过低造成冻结现象，在混凝土墙壁上安装8厘米厚的保温隔热材料—聚氨酯板，阻断低温侵入储煤仓，将灌入储煤仓原煤的自身温度保存在储煤仓内。

2 电加热系统应用及经济效益

碳纤维电加热系统2018年10月底投入使用后，18个漏煤嘴及闸门均未发生冻结，系统运行稳定未发生任何故障。

碳纤维电加热系统总功率为9 kW，每年维修更换配件不超3 000元，不需要安排专人维护。每年总消耗约2万元。与原燃煤锅炉相比节约了人力、物力、财力的消耗，每年节约资金约46万元，效益显著。

3 结语

青磁窑煤矿储煤仓结构复杂，冬季防冻保温措施尤为重要，将原煤自身的热量保存在储煤仓内，再给容易冻结的漏煤嘴和闸门处安装本电加热系统，如此一来就实现了低能耗、高效率的电加热防堵目的。