郭新安，田 野，周 鵬，李雪薇

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

儲煤系統(tǒng)是煤礦、火電廠的重要設(shè)施，儲煤筒倉作為一種全封閉存儲的煤炭存儲方式，具備環(huán)保，節(jié)能，節(jié)約土地，流程簡單，存儲過程損耗低等優(yōu)點(diǎn)[1]。然而儲煤筒倉由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間密閉等特點(diǎn)，大幅增加了安全控制的難度。目前儲煤筒倉煤炭發(fā)生自燃后，具有：前期不易覺察事故極易擴(kuò)大化發(fā)展，救援過程中風(fēng)險大，滅火難度高，變化趨勢無法整體把控等一系列痛點(diǎn)；并對附近人員及設(shè)備造成潛在的高危風(fēng)險亟需對筒倉煤炭自燃發(fā)火進(jìn)行監(jiān)測并設(shè)計(jì)行之有效的防滅火措施[2]。

1 筒倉智能化保護(hù)系統(tǒng)

筒倉智能化保護(hù)系統(tǒng)包括監(jiān)測系統(tǒng)、惰化保護(hù)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、自動泄爆系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)5 大部分。監(jiān)測系統(tǒng)在筒倉周圍設(shè)置各種溫度、煙霧、可燃?xì)怏w、有毒氣體、紅外熱成像儀、料位計(jì)等監(jiān)測設(shè)備，對筒倉內(nèi)部的煤炭進(jìn)行全方位、多方面、深層次的監(jiān)測[3-5]，根據(jù)煤種特性設(shè)定對應(yīng)報警參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到某一參數(shù)超過設(shè)定參數(shù)上限時立刻發(fā)出相應(yīng)的報警信號，在出現(xiàn)異常情況時，控制系統(tǒng)中的PLC接收檢測系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，依據(jù)相應(yīng)的報警值，開啟惰化保護(hù)系統(tǒng)一級鎖、二級充、三級換保護(hù)手段，以上手段無效時，自動啟動滅火系統(tǒng)，射流滅火裝備啟動阻止煤燃燒，一旦情況難以控制筒倉內(nèi)發(fā)生煤火災(zāi)或爆炸，自動泄爆系統(tǒng)也可以抵擋爆炸帶來的危害，實(shí)現(xiàn)智能化預(yù)防和防治筒倉煤火災(zāi)。

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)包括溫度監(jiān)測、可燃性氣體監(jiān)測、煙霧監(jiān)測和料位監(jiān)測，是筒倉智能化保護(hù)系統(tǒng)的眼睛。

溫度監(jiān)測包括PT100 溫度傳感器、紅外熱成像儀和測溫電纜；T100 溫度傳感器安裝在落煤口處和筒倉中部，監(jiān)測這2 處倉壁的溫度，為惰化保護(hù)系統(tǒng)提供開啟信號；紅外熱成像儀在筒倉頂部開孔安裝，對筒倉內(nèi)情況進(jìn)行巡航監(jiān)測，并把內(nèi)部煤表面的實(shí)時溫度信號傳給控制系統(tǒng)；測溫電纜安裝在倉頂至筒倉中下部，可監(jiān)測煤層內(nèi)部的溫度，三者結(jié)合可以完美呈現(xiàn)筒倉內(nèi)各部位煤體的溫度。

可燃性氣體檢測包括CO、O2和CH4；CO 傳感器和O2傳感器均為電化學(xué)型傳感器，CO 監(jiān)測傳感器安裝在筒倉頂部，O2探測器安裝在筒倉頂刮板輸送機(jī)、筒倉底部帶式輸送機(jī)和出料口給煤機(jī)，CH4監(jiān)測傳感器安裝在筒倉頂部；束管監(jiān)測系統(tǒng)通過抽氣泵將倉體氣體送入色譜儀進(jìn)行分析，顯示N2、CO2、C2H4、C2H6、C2H2、H2等氣體的變化。

煙霧粉塵傳感器通過監(jiān)測煙霧的濃度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范；煙霧傳感器安裝在筒倉頂部。

料位檢測采用雷達(dá)料位計(jì)，實(shí)時監(jiān)測筒倉內(nèi)煤的倉位。確保煤量處于安全倉位，筒倉內(nèi)檢測儀器數(shù)量及安裝位置情況表見表1。

表1 筒倉內(nèi)檢測儀器數(shù)量及安裝位置情況表

1.2 惰化保護(hù)系統(tǒng)

筒倉惰化保護(hù)系統(tǒng)裝置主要包括：制氮系統(tǒng)、儲氣罐、閥堆、鎖氣、充氣、換氣、各種連接管路等，是筒倉智能化保護(hù)系統(tǒng)的預(yù)防煤火災(zāi)的有效手段。

制氮系統(tǒng)大致分為3 類：深冷空分制氮、分子篩空分制氮、膜空分制氮。原理大致都為將空氣中氮?dú)庖晕锢矸椒▌冸x；在實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用中采用分子篩空分制氮，輔以膜空分制氮。

儲氣罐儲存得到的氮?dú)?，依?jù)筒倉的數(shù)量和體積設(shè)計(jì)儲氣罐的數(shù)量和體積，一般采用Q345R 材質(zhì)。

閥堆由減壓閥、電動閥、手動閥、壓力表組成；將儲氣罐內(nèi)的氮?dú)饨?jīng)過三級減壓，依次連接到鎖、充、換氣管道。

鎖氣層位于落料口處，當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到3 d沒有進(jìn)出煤時，發(fā)出初級報警信號，安全保護(hù)系統(tǒng)自動開啟鎖氣閥，用氮?dú)怄i住出煤口，阻止空氣從落煤口向儲煤層滲透，使筒倉持續(xù)和外界封閉、隔絕，從而抑制煤的自燃陰燃。

充氣層安裝在筒倉內(nèi)，位于筒倉直段與錐段交接處；當(dāng)安全監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到倉內(nèi)溫度≥40 ℃或甲烷體積分?jǐn)?shù)≥25% 或一氧化碳體積分?jǐn)?shù)≥50%，發(fā)出高級報警信號；系統(tǒng)自動啟動充氣閥，使氮?dú)庾畲笙薅?、均勻的充入相?yīng)的煤層中；多點(diǎn)式的連續(xù)充氣，可降低煤層溫度及可燃性氣濃度，確保煤層安全。

換氣層安裝筒倉外部，筒倉的中上部。當(dāng)安全監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到溫度≥70 ℃或甲烷體積分?jǐn)?shù)≥40%或一氧化碳體積分?jǐn)?shù)≥100%或有煙霧報警信號時，發(fā)出高級報警信號；系統(tǒng)自動開啟換氣閥和相應(yīng)的自動跟蹤換氣組件，向煤層上表面充入氮?dú)猓瑢⒚簩由喜靠臻g的可燃?xì)怏w從倉頂置換排出，達(dá)到另一級保護(hù)儲倉目的。

1.3 水消防系統(tǒng)

消防系統(tǒng)包括火災(zāi)探測器、熱追蹤裝置、消防泵、電動閥和射流滅火裝備，是筒倉智能化保護(hù)系統(tǒng)的治理煤火災(zāi)的有效手段。

火災(zāi)探測器具有火焰探測及現(xiàn)場智能監(jiān)控功能，火災(zāi)探測器將火災(zāi)信息傳送到控制系統(tǒng)；火災(zāi)報警信息經(jīng)控制系統(tǒng)處理后發(fā)出火警信號，通過熱追蹤裝置將現(xiàn)場以紅外圖像呈現(xiàn)，同時啟動相應(yīng)的射流滅火裝備裝置在熱追蹤裝置下自動定位并鎖定火源點(diǎn)，通過遠(yuǎn)程控制自動啟動消防泵和射流滅火裝備，電動閥打開進(jìn)行噴射氮?dú)馀菽蚋邏核疁缁穑簧淞鳒缁鹧b備裝置也具有遠(yuǎn)程手動滅火方式和現(xiàn)場手動滅火方式：遠(yuǎn)程手動滅火通過在中控室的現(xiàn)場紅外圖像確定火源點(diǎn)，在控制面板啟動射流滅火裝備，實(shí)施滅火；現(xiàn)場手動滅火是在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)火源點(diǎn)，通過現(xiàn)場控制射流滅火裝備，實(shí)施滅火；多種方式結(jié)合以確保滅火系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定。

1.4 自動泄爆系統(tǒng)

自動泄爆系統(tǒng)包括防爆門狀態(tài)感受器和防爆門，是整個筒倉智能化保護(hù)系統(tǒng)的最后保障。

當(dāng)筒倉中的壓力達(dá)到防爆門設(shè)定的起爆壓力時，防爆門自動開啟，將筒倉內(nèi)的可燃?xì)怏w和有毒氣體釋放出去，達(dá)到保護(hù)筒倉的目的。

1.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個筒倉智能化保護(hù)系統(tǒng)的大腦，穿插在整個安全保護(hù)系統(tǒng)中，其工作過程為：數(shù)據(jù)箱接收監(jiān)測系統(tǒng)傳來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，PLC 分析處理采集信號與專業(yè)檢測數(shù)據(jù)庫對比數(shù)據(jù)的風(fēng)險值；風(fēng)險值若高于報警值，根據(jù)報警信號自動開啟相應(yīng)閥門，使氣體充入倉內(nèi)相應(yīng)部位或開啟消防系統(tǒng)，消除危險源；若嚴(yán)重失控時，防爆系統(tǒng)生效保護(hù)筒倉，多級多點(diǎn)及時的保護(hù)措施確保筒倉及周邊設(shè)備的安全運(yùn)行。

2 筒倉生產(chǎn)管理

1）進(jìn)倉煤炭管控。在原煤進(jìn)倉輸送帶上加裝紅外熱成像儀，通過熱成像能實(shí)時檢測進(jìn)倉煤溫，嚴(yán)禁超過40 ℃原煤進(jìn)入筒倉內(nèi)：檢測煤在40～70 ℃時，立即停止一次破碎機(jī)翻煤作業(yè)，坑下上煤區(qū)間進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)入倉內(nèi)原煤快速進(jìn)行循環(huán)。檢測煤溫≥70℃時，立即急停輸送帶，對輸送帶上原煤進(jìn)行灑水降溫，并將發(fā)熱原煤從輸送帶上清理下來，嚴(yán)禁將發(fā)熱煤運(yùn)入筒倉內(nèi)。從源頭切斷煤火災(zāi)的發(fā)生。

2）給煤機(jī)循環(huán)。儲煤倉放煤時，嚴(yán)格按照給煤機(jī)的循環(huán)要求，每臺給煤機(jī)每3 d 循環(huán)1 次，每次循環(huán)1 000 t，通過加快筒倉原煤的循環(huán)，減少筒倉內(nèi)原煤的存放時間，降低筒倉著火的風(fēng)險。

3）動火作業(yè)管控。筒倉倉上、倉下給煤機(jī)平臺區(qū)域動火作業(yè)提級管理，按特級動火作業(yè)審批；筒倉動火作業(yè)前制定安全技術(shù)措施，由專人檢查安全防護(hù)措施，設(shè)雙人監(jiān)護(hù)；筒倉動火對倉口、刮板輸送機(jī)、給煤機(jī)等進(jìn)行封堵，防止焊渣、火星等點(diǎn)火源進(jìn)入?；鹦亲鳛辄c(diǎn)火源，煤作為可燃物，兩者在合適的條件下會發(fā)生燃燒現(xiàn)象，另外筒倉內(nèi)粉塵較多，且處于相對密封環(huán)境，易發(fā)生粉塵爆炸。

4）筒倉倉位管理。將筒倉安全倉位定為7 000 t，儲煤量在該位置時底部橫梁均有儲煤覆蓋，避免倉底儲煤接觸氧氣，加快氧化反應(yīng)發(fā)生自燃[6-8]。儲煤長時間存放，給煤機(jī)正上方儲煤循環(huán)較快，但靠近筒倉倉壁儲煤存在掛壁現(xiàn)象，始終無法放出，長時間存放易出現(xiàn)發(fā)熱跡象，每月1 日、16 日對儲煤倉倉位降到安全倉位，通過熱成像儀進(jìn)行觀察，將筒倉內(nèi)儲煤放至漏斗口處，靠近倉壁上的儲煤全部放出。避免筒倉內(nèi)的煤發(fā)生氧化放熱行為。

5）構(gòu)建多個煤發(fā)熱指標(biāo)。從原煤工作面上采取煤樣，經(jīng)過中國礦業(yè)大學(xué)防滅火研究實(shí)驗(yàn)室對煤炭自燃的氣體指標(biāo)檢測，確定乙烯、一氧化碳為自然氣體指標(biāo)，同步使用乙烯氣體檢測儀，檢測儲煤倉內(nèi)乙烯、乙炔氣體含量，打破以往只檢測一氧化碳和二氧化碳作為儲煤發(fā)熱的1 個依據(jù)，從多個方面分析筒倉內(nèi)儲煤發(fā)熱的原因，有效管控筒倉火災(zāi)的發(fā)生。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

為了得到智能化保護(hù)系統(tǒng)在儲煤倉筒內(nèi)的可行性和合理性，將該系統(tǒng)應(yīng)用于露天煤礦筒倉，地面生產(chǎn)系統(tǒng)共7 座筒倉。

2021 年6 月儲煤筒倉曾出現(xiàn)煤發(fā)熱現(xiàn)象，起初的判斷數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場人員的實(shí)測和單一監(jiān)測儀器，對發(fā)熱煤的地區(qū)和面積無法及時掌握，對后續(xù)的處理措施效果無法有效評判。在采用智能化保護(hù)系統(tǒng)后，監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以掌握筒倉內(nèi)的溫度也可以通過檢測儀器清楚確定發(fā)熱煤的位置和周邊環(huán)境，采取水射流、惰化等綜合措施及時處置。

4 結(jié)語

為了系統(tǒng)解決儲煤筒倉煤炭自燃無法及時預(yù)測及發(fā)火后難以處理的問題，建立了儲煤筒倉智能保護(hù)系統(tǒng)。

1）通過設(shè)置溫度、煙霧、可燃?xì)怏w、紅外監(jiān)控等監(jiān)測設(shè)備，可以實(shí)時對筒倉儲煤進(jìn)行全方位、多方面、深層次的監(jiān)測，掌握煤炭自燃發(fā)火情況，達(dá)到預(yù)測預(yù)警的目的。

2）通過設(shè)置惰化、水消防等滅火系統(tǒng)，對發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)滅火，設(shè)置自動泄爆系統(tǒng)也可以最大限度減少爆炸帶來的危害，實(shí)現(xiàn)智能化預(yù)防和防治筒倉煤火災(zāi)。

3）通過加強(qiáng)日常生產(chǎn)管理，采取措施加快筒倉內(nèi)儲煤循環(huán)、防止高溫煤等進(jìn)入筒倉。