馮 馳

0 前言

青磁窯煤礦于1983年開(kāi)通了鐵路運(yùn)煤專(zhuān)線，并建有儲(chǔ)量為4 000 t的儲(chǔ)煤倉(cāng)，可直接裝載火車(chē)。該儲(chǔ)煤倉(cāng)由18個(gè)小方倉(cāng)組成，分東西兩列沿南北走向布置，每列9個(gè)倉(cāng)，每個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)煤220 t。應(yīng)客戶(hù)需求，平均每2～3天發(fā)一列火車(chē)。

該儲(chǔ)煤倉(cāng)所處地勢(shì)較高，全年多風(fēng)，晝夜溫差較大，夜間氣溫較低，冰凍期5個(gè)月。以下為近3年的平均氣溫表。

表1 青瓷窯煤礦近3年的平均氣溫表

儲(chǔ)煤倉(cāng)煤中含水率為6%～8%，裝車(chē)頻率較低，進(jìn)入冬季若不采取有效供暖防凍措施，18個(gè)小倉(cāng)下部的鐵質(zhì)漏煤嘴及閘門(mén)將全部?jī)鼋Y(jié)，液壓系統(tǒng)凍結(jié)甚至損壞，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法解凍裝車(chē)，嚴(yán)重影響煤炭正常發(fā)運(yùn)。

往年該礦使用燃煤鍋爐向儲(chǔ)煤倉(cāng)底部鼓吹熱風(fēng)實(shí)現(xiàn)防凍目的。由于18個(gè)漏煤口無(wú)法封閉，導(dǎo)致大量熱量散失，在極寒天氣，難以達(dá)到預(yù)期效果。為此本文開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套低成本、低能耗、零排放、安全可靠的電加熱系統(tǒng)，解決了儲(chǔ)煤倉(cāng)防凍難題。

1 電加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電熱體的選用

儲(chǔ)煤倉(cāng)的加熱不同于其他設(shè)備加熱，加熱溫度過(guò)高可能引發(fā)煤自燃或釋放有害氣體。綜合使用安全和成本、能耗，故選擇碳纖維電熱膜為加熱體。

碳纖維電熱膜屬于半導(dǎo)體新型材料，制熱方式與普通電熱絲不同，它是由碳纖維分子震蕩碰撞做布朗運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外線進(jìn)行制熱，功率密度為200 W/m2～400 W/m2，電熱轉(zhuǎn)化率高，具有發(fā)熱均勻、能耗低、對(duì)人體無(wú)傷害、耐腐蝕、老化速度慢、使用壽命長(zhǎng)和一定程度的防水性等特點(diǎn)，是理想的儲(chǔ)煤倉(cāng)加熱體[1]。

1.2 溫度控制設(shè)計(jì)

電加熱系統(tǒng)的電氣保護(hù)主要有過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、漏電等，確保整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠。電加熱系統(tǒng)的溫度控制部分關(guān)系著系統(tǒng)是否安全可靠使用的關(guān)鍵，若溫控失靈，則會(huì)產(chǎn)生過(guò)加熱或凍結(jié)等后果。為了確保溫度控制安全可靠，該系統(tǒng)采用了雙重溫度控制方式，一套以西門(mén)子PLC、模擬量模塊、溫度變送器、溫度傳感器探頭等設(shè)備進(jìn)行程序命令的執(zhí)行實(shí)現(xiàn)恒溫控制，另一套以K型溫控器和K型溫度傳感器進(jìn)行控制，兩套溫控形成一主一備確保溫控時(shí)刻有效，其控制原理設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 電氣原理圖

當(dāng)閉合QF斷路器后，按SB1啟動(dòng)按鈕，KM主電源接觸器吸合，過(guò)欠壓保護(hù)器自動(dòng)吸合，將QF1-QF9漏電保護(hù)斷路器閉合，各電源和控制部分完成基本送電，進(jìn)入到自動(dòng)控制階段。K型溫度控制器啟動(dòng)即K1-K6，它根據(jù)設(shè)置好的溫度值分合K1-K6常開(kāi)觸點(diǎn)，從而對(duì)KM1-KM6加熱組進(jìn)行恒溫加熱控制。為了防止K型溫度控制器內(nèi)的繼電器長(zhǎng)時(shí)間高頻次使用造成損壞，該系統(tǒng)又通過(guò)PLC溫控程序進(jìn)行備用控制。比如對(duì)儲(chǔ)煤倉(cāng)進(jìn)行30℃加熱。K1設(shè)置的溫度為30℃，則發(fā)熱體28℃以下時(shí)K1吸合，溫度升至30℃時(shí)K1斷開(kāi)。PLC程序編成35℃時(shí)J1動(dòng)作吸合，J1常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，KM1斷開(kāi)。溫度降至32℃以下時(shí)J1釋放，J1觸點(diǎn)閉合，KM1閉合開(kāi)始加熱。若K1無(wú)法斷開(kāi)，則溫度持續(xù)升至35℃時(shí)J1動(dòng)作斷開(kāi)KM1電源，結(jié)束加熱，溫度降至32℃時(shí)開(kāi)始加熱，如此便避免了K1無(wú)法斷開(kāi)造成的過(guò)加熱問(wèn)題。若K1無(wú)法閉合，當(dāng)溫度降至25℃時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦發(fā)出低溫報(bào)警，監(jiān)控人員通過(guò)遠(yuǎn)程操作吸合J7，KM7動(dòng)作，斷開(kāi)所有K型溫控器，并短接K1-K6觸點(diǎn)，溫控完全使用PLC實(shí)現(xiàn)。維修人員立即前往現(xiàn)場(chǎng)斷開(kāi)QF斷路器，更換K型溫控器。

1.3 溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了降低建設(shè)成本和后期維護(hù)使用成本，該系統(tǒng)采用多個(gè)儲(chǔ)煤倉(cāng)閘門(mén)集中溫控，如此一來(lái)就不能準(zhǔn)確的掌握每個(gè)儲(chǔ)煤倉(cāng)閘門(mén)的溫度值，為了避免其他因素引起系統(tǒng)異常，且綜合成本控制和設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)控的完整性，該系統(tǒng)所有發(fā)熱單元上安裝了溫度傳感器，并將數(shù)據(jù)傳至遠(yuǎn)端電腦進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全、可靠、廉價(jià)、穩(wěn)定的使用效果，

監(jiān)控系統(tǒng)所用的傳感器為DS18B20溫度傳感器，安裝探頭時(shí)只需將安裝位置和探頭編號(hào)記錄清楚，將編號(hào)順序按安裝位置順序輸入到溫度采集器中，溫度采集器便可按順序采集儲(chǔ)存溫度值。

溫度采集器的通訊方式為RS485總線方式，RS485光電轉(zhuǎn)換器通過(guò)光纜將RS485信號(hào)傳至監(jiān)控室，再通過(guò)RS485轉(zhuǎn)RS232無(wú)源裝換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換后接入電腦。

本系統(tǒng)使用的西門(mén)子PLC，S7-200SMART，自帶以太網(wǎng)端口，用以太網(wǎng)光電轉(zhuǎn)換器通過(guò)光纜將型號(hào)傳至監(jiān)控室，接入電腦網(wǎng)口即可。監(jiān)控系統(tǒng)圖見(jiàn)圖2。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)圖

監(jiān)控電腦使用組態(tài)軟件對(duì)溫度采集器和PLC進(jìn)行組態(tài)，可顯示溫度采集器傳來(lái)的每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并將其編寫(xiě)超溫報(bào)警、低溫報(bào)警等功能命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)各加熱單元的實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史溫度查詢(xún)分析，運(yùn)行狀態(tài)顯示等功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的使用目的[2]。

1.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了加強(qiáng)電加熱系統(tǒng)使用安全管理，該系統(tǒng)的關(guān)鍵位置安裝了視頻監(jiān)控?cái)z像頭。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，維修人員可根據(jù)視屏圖像觀察大致情況，配合監(jiān)控電腦提示信息進(jìn)行相關(guān)操作。

由于各監(jiān)控點(diǎn)位置較近，攝相機(jī)采用POE供電方式，節(jié)約了電源線的使用。視屏信號(hào)通過(guò)POE交換機(jī)和光電裝換器將信號(hào)傳至監(jiān)控室，硬盤(pán)錄像機(jī)進(jìn)行圖像存儲(chǔ)，存儲(chǔ)期一個(gè)月。

1.5 電加熱單元的安裝設(shè)計(jì)

由于該電熱膜自身發(fā)熱量小，所以安裝使用過(guò)程中必須要配合一定的保溫措施，才能達(dá)到設(shè)備的防寒目的。安裝時(shí)需將電熱膜貼在加熱體上，再將電熱膜用保溫棉覆蓋，讓熱量只向需要加熱的地方傳導(dǎo)。保溫棉需使用鋁箔包裹的耐高溫硅酸鋁棉，鋁箔可反射電熱膜所產(chǎn)生的遠(yuǎn)紅外波，而耐高溫硅酸鋁棉可避免電熱膜起火（小概率事件）導(dǎo)致的火勢(shì)蔓延。

閘門(mén)上的電加熱單元安裝在采用5 mm鐵板加工成厚度為50 mm的鐵殼內(nèi)，殼體焊接在閘門(mén)上，保護(hù)殼留口制蓋，方便電熱膜、保溫棉的插入和良好的密封性，電熱膜保護(hù)殼及安裝見(jiàn)圖3。

圖3 電熱膜保護(hù)殼及安裝示意圖

1.6 線纜的布設(shè)方法

由于溫度傳感器總線極易受到干擾，影響數(shù)據(jù)傳輸，所有電源線和信號(hào)總線必須使用屏蔽電線，且間隔0.3 m以上，并分別布設(shè)電纜橋架或者穿鍍鋅鐵管。

DS18B20溫度傳感器總線必須采用線徑大于0.75的屏蔽線，采用普通屏蔽線時(shí)總線距離不宜超出50 m。本次設(shè)計(jì)采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對(duì)線分別接地線和信號(hào)線，另一對(duì)線接VCC和地線，屏蔽層在源端接地。

1.7 儲(chǔ)煤倉(cāng)底部保溫措施

為了防止儲(chǔ)煤倉(cāng)底部倒梯形體因溫度過(guò)低造成凍結(jié)現(xiàn)象，在混凝土墻壁上安裝8厘米厚的保溫隔熱材料—聚氨酯板，阻斷低溫侵入儲(chǔ)煤倉(cāng)，將灌入儲(chǔ)煤倉(cāng)原煤的自身溫度保存在儲(chǔ)煤倉(cāng)內(nèi)。

2 電加熱系統(tǒng)應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益

碳纖維電加熱系統(tǒng)2018年10月底投入使用后，18個(gè)漏煤嘴及閘門(mén)均未發(fā)生凍結(jié)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定未發(fā)生任何故障。

碳纖維電加熱系統(tǒng)總功率為9 kW，每年維修更換配件不超3 000元，不需要安排專(zhuān)人維護(hù)。每年總消耗約2萬(wàn)元。與原燃煤鍋爐相比節(jié)約了人力、物力、財(cái)力的消耗，每年節(jié)約資金約46萬(wàn)元，效益顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

青磁窯煤礦儲(chǔ)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冬季防凍保溫措施尤為重要，將原煤自身的熱量保存在儲(chǔ)煤倉(cāng)內(nèi)，再給容易凍結(jié)的漏煤嘴和閘門(mén)處安裝本電加熱系統(tǒng)，如此一來(lái)就實(shí)現(xiàn)了低能耗、高效率的電加熱防堵目的。