煤炭是我国国民经济和社会发展的基础,一直以来在我国一次能源生产和消费结构中占较大比重。在未来相当长的一段时间内,煤炭仍将是我国的主要能源之一。

对于煤炭的存放,我国自上世纪九十年代就开始使用圆筒储煤仓,但发展至今仍有多处圆筒储煤仓相继发生煤炭自燃事故。虽然大多数“自燃”因扑救及时而未造成储煤仓损毁的重大事故,但对储煤的质量影响、环境影响还是不可小觑。由此引出圆筒储煤仓的“自燃”监测和防范措施技术课题。本文提出用连续热电偶监测圆筒储煤仓“自燃”,系统简单、造价低廉,能有效监测储煤内部各处氧化升温,并能实现集中监控,自由设置预警和报警温度点。

煤炭储存场所是集中储存煤炭的场所,煤炭的储存根据储煤场所一般可分为:露天储存、半露天储存、 室内储存等多种形式,其中室内储存又分为圆筒储煤仓、低下储煤仓等多种形式。[1]而现在根据国家对安全和环保的要求,已有越来越多的单位开始修建圆筒储煤仓来进行煤炭的统一储存。

我国的圆筒储煤仓发展至今,已发生过多起圆筒储煤仓内煤炭超温甚至自燃事故[2,3]。

1999年底与2000年初,谢一矿选煤厂两圆筒储煤仓相继发生煤炭自燃事故,耗时三天至一周的时间才将火扑灭。

2009年7月29日14时16分,山东海化煤业化工有限公司一个30m的煤仓由于煤仓中煤炭长期存储而引发煤炭自燃,导致顶部皮带走廊和筒仓发生大火。

2009年11月份和2010年年初,国宏化工有限责任公司运洗车间圆筒储煤仓发生煤炭温度过高现象, 由于及早发现,采取的处理措施得当,及时将煤仓内存煤放空,才没有酿成事故。

以上事故暴露出目前储煤仓内的监控设备不够完备,不能及时监控储煤仓内部煤炭的温度以及自燃情况的问题。为了避免类似“自燃”现象的再次发生, 对于圆筒储煤仓内部储煤的温度监控至关重要。

目前在圆筒储煤仓内使用的温度监测方法有红外线测温仪、热电阻实时监测、智能温度传感器(如DS18B20数字温度传感器)[4]、分布式光纤温度传感器测温系统、连续热电偶实时监测法等方式[5]。几种测量方式对比见表1。

通过红外线测温仪或红外线成像仪定期对煤仓底部和仓壁进行温度测量,发现温度出现异常时,再通过分析判断原因,继而采取相应的处理措施。

这种方法属于较为传统的方法,无法做到实时监控,需要安排工作人员定期到现场巡查,且这种通过这种红外线小型仪器所能够监测的范围窄,效率底。 不能反映圆筒储煤仓内部储煤温度的普遍情况。

通过插入式热电阻选取数个煤仓内部的温度点进行温度监控。这种方式可以实现储煤仓内数个温度点的实时监控,而由于热电阻的“点式”测温的特性, 测量范围相对狭窄有限,不能反映圆筒储煤仓内部储煤温度的普遍情况。

以DS18B20数字温度传感器为例,该传感器将全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现多点测温。但是,并联数量最多只能8个, 如果数量过多,会使供电电源电压过低,从而造成信号传输的不稳定。DS1820测温范围为 -55℃ ~125℃,难以实现高温测量。测量结构以9位数字量方式串行传送,因此在对DS1820进行读写编程时,必须严格保证读写时序,否则将无法读取测温结果。且连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。

基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器可测量光纤沿线的温度分布信息,可以实现煤仓多点温度在线实时监测。但该种测试方法由于光纤较脆,在流动的煤仓中容易折断而丧失测量的功能。

目前国内分布式光纤测温系统的空间分辨率最优仅能达到1m,该系统实时测量值为最小空间分辨率的平均温度,如果出现某点过温情况,该系统的测量温度与实际温度容易出现较大偏差,从而出现误报、漏报等严重后果。

市面常见的光纤耐温较低(-50~350℃),而高温光纤则价格高昂(如铜光纤、铝光纤、金光纤等), 且信号解调系统同样价格不菲,因此分布式光纤温度传感器测温系统难以成为首选。

连续热电偶基于热电效应原理,能够根据其沿线上的最高温度点产生对应的毫伏信号。测量温度范围 -40~880℃,弯曲半径可达连续热电偶线缆外径的10~20倍。由于连续热电偶可实现实时连续测温,且耐温较高,与前面几种方式对比有明显的优势。

连续热电偶结构示意图如图1所示,主要由特种金属管、温敏介质材料和芯线(热电极)组成。特种金属不仅是整个传感器外层保护铠甲,使传感器具有极佳的恶劣环境耐受性,如耐磨、耐高温、耐腐蚀等, 而且在长期使用过程中,与温敏介质材料有良好的相容性,不会与温敏介质材料发生不良的化学反应而使连续热电偶的特性发生漂移。温敏介质材料是线式温度传感器的核心,在使用温度范围内,随着温度的升高, 介质材料的电阻率逐渐下降。芯线使用K型热电极, 使用温度范围宽广,温度特性线性好。

当连续热电偶感温段某点(也可以是同温度的多点或一段)的温度T1超过感温段其余部分的温度时, 该点两热电极之间的热敏材料的电阻就会降低,从而在T1点形成一个“临时”测量端(见图2)。此时连续热电偶就像一支普通的热电偶,两热电极之间产生一个和温度T1相对应的热电势。如果感温段出现更高的温度点T2(T2> T1),则T2点热电极间热敏材料的电阻就会降得比T1点更低,从而一个新的“临时”测量端就在T2点产生了,同时热电极之间又输出一个和温度T2相对应的热电势(见图3)。连续热电偶就是这样一支测量端跟随最高温度点位置不断“移动”的热电偶,感温段上哪个点的温度高,测量端就跟随到哪, 连续热电偶的输出热电势总是和感温段上存在的最高温度相对应[6,7]。

关于连续热电偶测温系统实时监测圆筒储煤仓内部温度,可通过将数根足够长度的连续热电偶置入圆筒储煤仓内部进行温度的实时监控。这是一种新型的监测方法,由于连续热电偶可以在一条直线上连续感温,输出该条直线上最高温度点的温度信号,因而可以实时监测煤仓内部较大范围的温度情况。根据储煤仓直径的大小,一个煤仓可对称布置3支或5支或更多。 一般保证两支连续热电偶的距离在2m以内即可实现煤仓内全方位监测的目标。此类“线状”测温技术代表圆筒储煤仓内部测温的前沿技术。

圆筒储煤仓温度监测系统包括检测储煤仓内部煤堆温度的连续热电偶、温度数据监测箱和上位机监测系统。

连续热电偶可以实时监测储煤仓内煤堆内部温度, 进而全方位立体式反映储煤仓内部煤层各处最高温度以及最高温度升温速率的实时状况。

温度数据监测箱在储煤仓现场实时采集、变送连续热电偶传输数据,并传输至上位机,在温度超限时发出报警信号。上位机监测系统可以在软件模拟图上实时显示所有温度数据,并在温度超限报警的时候提示操作员进行处理。

一般场合使用的铠装连续热电偶,为保证响应时间,直径通常为 Φ2.5~Φ3,加之使用环境相对静置、 稳定,很少出现损坏的情况,如煤化工、光伏、火电等领域。但在圆筒储煤仓内,由于卸煤时煤炭要产生漩涡式运动,煤炭与连续热电偶外壁之间要产生强烈的摩擦进而使连续热电偶外壁磨损变薄,同时巨大的下拽力极易拉断连续热电偶。一种做法是在连续热电偶周围捆绑4根禁锢钢绳以保护连续热电偶不受磨损, 但同时粗糙的钢绳表面以及紧固卡箍也增加了摩擦力, 用不了一个月钢绳也容易出现拉断的现象。

因此,圆筒储煤仓所需的连续热电偶需要更高的强度要求。将原通用型连续热电偶的外径由 Φ2.5~Φ3改为 Φ8,同时增加壁厚。外径增加后,原始投料尺寸必须相应加大,连续热电偶生产的拉拔工艺及热处理工艺等都要做出相应调整。经过几个周期的试投料, 外径8mm的大尺寸连续热电偶终于试制成功,并为西北某煤化企业筒仓试用,近一年来,试用情况良好,未出现拉断现象,连续热电偶采用新型防水接插式连接头以及专用温度变送器,通过通讯线缆将变送器的信号传输至上位机,进行圆筒储煤仓内部温度的实时监测。

采用接插式连接件便于连续热电偶的安装、拆卸及更换,而为了避免接插件及连续热电偶内部受潮,接插件统一采用密封处理,提高其使用可靠性。图4为新型防水接插式连接件示意图。

由于连续热电偶的内部阻抗很高,往往能够达到kΩ 级甚至MΩ 级,直接采用普通K型热电偶变送器会产生较大的示值误差。

通过自主研发,采用数字化调校、无电位器、自动零点校准等先进技术,可实现连续热电偶的采集和标准化输出,且测量精度高,抗干扰效果好,能够较好的配合连续热电偶达到最优的测温效果。组成的系统可用来连续探测监控区域(圆筒储煤仓煤堆内部)的最高温度,对温度的变化进行实时测量。

该温度变送器以连续热电偶为测温元件,将连续热电偶信号进行线性化处理, 转换为电流或电压信号输出,再与显示仪表、记录仪表以及各种控制系统配套使用。 电气原理与接线图见图5。

圆筒储煤仓一般采用数个联排的修建形式,在顶部(一般在30m以上的高度) 修建一个连接所有圆筒储煤仓顶部的平台 (图6)。

圆筒煤仓内部实时监控系统由高强度连续热电偶,接插式连接件,固定法兰,补偿导线,专用温度变送器,上位机,安装附件等部件组成(图7)。

图8、图9是以某工程项目4个圆筒储煤仓为例,圆筒储煤仓顶部的平台处,预留十二个孔,将高强度连续热电偶从各个孔中延伸而下。待到合适深度的时候,通过法兰固定。通过补偿导线将连续热电偶的信号传输至专用温度变送器,再通过温度变送器转变信号后传输至上位机,以显示出圆筒储煤仓内部实时监控的温度信息。

圆筒储煤仓在常年的使用过程中存在超温甚至自燃的隐患, 必须对其煤炭内部进行实施的温度监控,以控制圆筒储煤仓的内部工况,避免事故发生。

就目前的几种圆筒储煤仓的温度监测情况来看,使用连续热电偶测温系统是最先进、最准确也是最全面的一种监测方式。

新型高强度连续热电偶的成功制备能够很好的应用在圆筒储煤仓的内部温度监测领域。