多點(diǎn)連續熱電偶測溫系統在圓筒儲煤倉中應用

摘要:煤炭堆積在封閉式固簡(jiǎn)儲煤倉內，容易發(fā)生自燃現象，造成巨大的損失。通過(guò)煤炭自燃事件及特點(diǎn)進(jìn)行了分析，介紹了監控圓簡(jiǎn)儲煤倉內部溫度的幾種方法并分別進(jìn)行對比。介紹了大尺寸新型多點(diǎn)連續熱電偶，就連續熱電偶實(shí)時(shí)測溫系統在圓簡(jiǎn)儲煤倉的應用方案進(jìn)行了詳細的闡述，其系統簡(jiǎn)單方便，監測范圍較傳統的監測方法更為全面，并能實(shí)現實(shí)時(shí)監測監控區域的熱點(diǎn)溫度，適用于圓筒儲煤倉內部溫度監測的應用場(chǎng)合。
一、前言
       煤炭是我國國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展的基礎，一直以來(lái)在我國一次能源生產(chǎn)和消費結構中占較大比重。在未來(lái)相當長(cháng)的一段時(shí)間內，煤炭仍將是我國的主要能源之--。
對于煤炭的存放，我國自上世紀九十年代就開(kāi)始使用圓簡(jiǎn)儲煤倉，但發(fā)展至今仍有多處圓簡(jiǎn)儲煤倉相繼發(fā)生煤炭自燃事故。雖然大多數“自燃”因撲救及時(shí)而未造成儲煤倉損毀的重大事故，但對儲煤的質(zhì)量影響、環(huán)境影響還是不可小覷。由此引出圓簡(jiǎn)儲煤倉的“自燃”監測和防范措施技術(shù)課題。本文提出用連續熱電偶監測圓簡(jiǎn)儲煤倉“自燃”，系統簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，能有效監測儲煤內部各處氧化升溫，并能實(shí)現集中監控，自由設置預警和報警溫度點(diǎn)。
二、圓筒儲煤倉煤炭超溫甚至自燃事故及特點(diǎn)
       煤炭?jì)Υ鎴?chǎng)所是集中儲存煤炭的場(chǎng)所，煤炭的儲存根據儲煤場(chǎng)所一般可分為:露天儲存、半露天儲存、室內儲存等多種形式，其中室內儲存又分為圓簡(jiǎn)儲煤倉、低下儲煤倉等多種形式。凹而現在根據國家對安全和環(huán)保的要求，已有越來(lái)越多的單位開(kāi)始修建圓簡(jiǎn)儲煤倉來(lái)進(jìn)行煤炭的統一儲存。
1、圓簡(jiǎn)儲煤倉煤炭超溫甚至自燃的事故
       我國的圓簡(jiǎn)儲煤倉發(fā)展至今，已發(fā)生過(guò)多起圓簡(jiǎn)儲煤倉內煤炭超溫甚至自燃事故D31。
       1999年底與2000年初，某選煤廠(chǎng)兩圓筒儲煤倉相繼發(fā)生煤炭自燃事故，耗時(shí)三天至一周的時(shí)間才將火撲滅。
       2009年7月29日山東某煤業(yè)化工有限公司一個(gè)30m的煤倉由于煤倉中煤炭長(cháng)期存儲而引發(fā)煤炭自燃，導致頂部皮帶走廊和簡(jiǎn)倉發(fā)生大火。2009年11月份和2010年年初，某化工有限責任公司運洗車(chē)間圓簡(jiǎn)儲煤倉發(fā)生煤炭溫度過(guò)高現象，由于及早發(fā)現，采取的處理措施得當，及時(shí)將煤倉內存煤放空，才沒(méi)有釀成事故。
       以上事故暴露出目前儲煤倉內的監控設備不夠完備，不能及時(shí)監控儲煤倉內部煤炭的溫度以及自燃情況的問(wèn)題。為了避免類(lèi)似“自燃”現象的再次發(fā)生，對于圓簡(jiǎn)儲煤倉內部?jì)γ旱臏囟缺O控至關(guān)重要。

2、當前已有的圓簡(jiǎn)儲煤倉內部溫度監控方法
       目前在圓簡(jiǎn)儲煤倉內使用的溫度監測方法有紅外線(xiàn)測溫儀、熱電阻實(shí)時(shí)監測、智能溫度傳感器(如DS18B20數字溫度傳感器)用、分布式光纖溫度傳感器測溫系統、連續熱電偶實(shí)時(shí)監測法等方式氣。幾種測量方式對比見(jiàn)表1。
(1)紅外線(xiàn)測溫儀或紅外線(xiàn)成像儀法
       通過(guò)紅外線(xiàn)測溫儀或紅外線(xiàn)成像儀定期對煤倉底部和倉壁進(jìn)行溫度測量，發(fā)現溫度出現異常時(shí)，再通過(guò)分析判斷原因，繼而采取相應的處理措施。這種方法屬于較為傳統的方法，無(wú)法做到實(shí)時(shí)監控，需要安排工作人員定期到現場(chǎng)巡查，且這種通過(guò)
這種紅外線(xiàn)小型儀器所能夠監測的范圍窄，效率底。不能反映圓簡(jiǎn)儲煤倉內部?jì)γ簻囟鹊钠毡榍闆r。
(2)熱電阻實(shí)時(shí)監測法
      通過(guò)插入式熱電阻選取數個(gè)煤倉內部的溫度點(diǎn)進(jìn)行溫度監控。這種方式可以實(shí)現儲煤倉內數個(gè)溫度點(diǎn)的實(shí)時(shí)監控，而由于熱電阻的“點(diǎn)式”測溫的特性，測量范圍相對狹窄有限，不能反映圓簡(jiǎn)儲煤倉內部?jì)γ簻囟鹊钠毡榍闆r。
(3)智能溫度傳感器監測法
       以DS18B20數字溫度傳感器為例，該傳感器將全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線(xiàn)上，實(shí)現多點(diǎn)測溫。但是，并聯(lián)數量最多只能8個(gè)，如果數量過(guò)多，會(huì )使供電電源電壓過(guò)低，從而造成信號傳輸的不穩定。DS1820測溫范圍為-55℃~125℃，難以實(shí)現高溫測量。測量結構以9位數字量方式串行傳送，因此在對DS1820進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴格保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測溫結果。且連接DS1820的總線(xiàn)電纜是有長(cháng)度限制的。
(4)分布式光纖溫度傳感器測溫系統
       基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器可測量光纖沿線(xiàn)的溫度分布信息，可以實(shí)現煤倉多點(diǎn)溫度在線(xiàn)實(shí)時(shí)監測。但該種測試方煤倉多點(diǎn)溫度在線(xiàn)實(shí)時(shí)監測。但該種測試方法由于光纖較脆，在流動(dòng)的煤倉中容易折斷而喪失測量的功能。
      目前國內分布式光纖測溫系統的空間分辨率最優(yōu)僅能達到lm，該系統實(shí)時(shí)測量值為最小空間分辨率的平均溫度，如果出現某點(diǎn)過(guò)溫情況，該系統的測量溫度與實(shí)際溫度容易出現較大偏差，從而出現誤報、漏報等嚴重后果。
       市面常見(jiàn)的光纖耐溫較低(-50~350°C)，而高溫光纖則價(jià)格高昂(如銅光纖、鋁光纖、金光纖等)，且信號解調系統同樣價(jià)格不菲，因此分布式光纖溫度傳感器測溫系統難以成為首選。
(5)連續熱電偶實(shí)時(shí)監測法
       連續熱電偶基于熱電效應原理，能夠根據其沿線(xiàn)上的最高溫度點(diǎn)產(chǎn)生對應的毫伏信號。測量溫度范圍-40-880℃，彎曲半徑可達連續熱電偶線(xiàn)纜外徑的10~20倍。由于連續熱電偶可實(shí)現實(shí)時(shí)連續測溫，且耐溫較高，與前面幾種方式對比有明顯的優(yōu)勢。
三、高強度連續熱電偶在圓筒儲煤倉的應用
1、連續熱電偶.
       連續熱電偶結構示意圖如圖1所示，主要由特種金屬管、溫敏介質(zhì)材料和芯線(xiàn)(熱電極)組成。特種金屬不僅是整個(gè)傳感器外層保護鎧甲，使傳感器具有極佳的惡劣環(huán)境耐受性，如耐磨、耐高溫、耐腐蝕等，而且在長(cháng)期使用過(guò)程中，與溫敏介質(zhì)材料有良好的相容性，不會(huì )與溫敏介質(zhì)材料發(fā)生不良的化學(xué)反應而使連續熱電偶的特性發(fā)生漂移。溫敏介質(zhì)材料是線(xiàn)式溫度傳感器的核心，在使用溫度范圍內，隨著(zhù)溫度的升高，介質(zhì)材料的電阻率逐漸下降。芯線(xiàn)使用K型熱電極，使用溫度范圍寬廣，溫度特性線(xiàn)性好。

       當連續熱電偶感溫段某點(diǎn)(也可以是同溫度的多點(diǎn)或一段)的溫度T1超過(guò)感溫段其余部分的溫度時(shí)，該點(diǎn)兩熱電極之間的熱敏材料的電阻就會(huì )降低，從而在T1點(diǎn)形成一個(gè)“臨時(shí)”測量端(見(jiàn)圖2)。此時(shí)連.續熱電偶就像一支普通的熱電偶，兩熱電極之間產(chǎn)生一個(gè)和溫度T1相對應的熱電勢。如果感溫段出現更高的溫度點(diǎn)T2(T2>T1)，則T2點(diǎn)熱電極間熱敏材料的電阻就會(huì )降得比T1點(diǎn)更低，從而一個(gè)新的“臨時(shí)”測量端就在T2點(diǎn)產(chǎn)生了，同時(shí)熱電極之間又輸出一個(gè)和溫度T2相對應的熱電勢(見(jiàn)圖3)。連續熱電偶就是這樣一支測量端跟隨最高溫度點(diǎn)位置不斷“移動(dòng)”的熱電偶，感溫段上哪個(gè)點(diǎn)的溫度高，測量端就跟隨到哪，連續熱電偶的輸出熱電勢總是和感溫段上存在的最高溫度相對應。
2、新型高強度連續熱電偶
       關(guān)于連續熱電偶測溫系統實(shí)時(shí)監測圓簡(jiǎn)儲煤倉內部溫度，可通過(guò)將數根足夠長(cháng)度的連續熱電偶置入圓筒儲煤倉內部進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)監控。這是一種新型的監測方法，由于連續熱電偶可以在一-條直線(xiàn)上連續感溫，輸出該條直線(xiàn)上最高溫度點(diǎn)的溫度信號，因而可以實(shí)時(shí)監測煤倉內部較大范圍的溫度情況。根據儲煤倉直徑的大小,一個(gè)煤倉可對稱(chēng)布置3支或5支或更多。一般保證兩支連續熱電偶的距離在2m以?xún)燃纯蓪?shí)現煤倉內全方位監測的目標。此類(lèi)“線(xiàn)狀”測溫技術(shù)代表圓簡(jiǎn)儲煤倉內部測溫的前沿技術(shù)。
        圓簡(jiǎn)儲煤倉溫度監測系統包括檢測儲煤倉內部煤堆溫度的連續熱電偶、溫度數據監測箱和上位機監測系統。
       連續熱電偶可以實(shí)時(shí)監測儲煤倉內煤堆內部溫度,進(jìn)而全方位立體式反映儲煤倉內部煤層各處最高溫度以及最高溫度升溫速率的實(shí)時(shí)狀況。
       溫度數據監測箱在儲煤倉現場(chǎng)實(shí)時(shí)采集、變送連續熱電偶傳輸數據，并傳輸至上位機，在溫度超限時(shí)發(fā)出報警信號。.上位機監測系統可以在軟件模擬圖上實(shí)時(shí)顯示所有溫度數據，并在溫度超限報警的時(shí)候提示操作員進(jìn)行處理。
       一般場(chǎng)合使用的鎧裝連續熱電偶，為保證響應時(shí)間，直徑通常為φ2.5~φ3，加之使用環(huán)境相對靜置、穩定，很少出現損壞的情況，如煤化工、光伏、火電等領(lǐng)域。但在圓簡(jiǎn)儲煤倉內，由于卸煤時(shí)煤炭要產(chǎn)生漩渦式運動(dòng)，煤炭與連續熱電偶外壁之間要產(chǎn)生強烈的摩擦進(jìn)而使連續熱電偶外壁磨損變薄，同時(shí)巨大的下拽力極易拉斷連續熱電偶。一種做法是在連續熱電偶周?chē)?根禁銅鋼繩以保護連續熱電偶不受磨損,但同時(shí)粗糙的鋼繩表面以及緊固卡箍也增加了摩擦力,用不了一個(gè)月鋼繩也容易出現拉斷的現象。
      因此，圓簡(jiǎn)儲煤倉所需的連續熱電偶需要更高的強度要求。將原通用型連續熱電偶的外徑由φ2.5~φ3改為中8，同時(shí)增加壁厚.外徑增加后，原始投料尺寸必須相應加大，連續熱電偶生產(chǎn)的拉拔工藝及熱處理工藝等都要做出相應調整。經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期的試投料，外徑8mm的大尺寸連續熱電偶終于試制成功，并為西北某煤化企業(yè)簡(jiǎn)倉試用，近一年來(lái)，試用情況良好，未出現拉斷現象，連續熱電偶采用新型防水接插式連接頭以及專(zhuān)用溫度變送器，通過(guò)通訊線(xiàn)纜將變送器的信號傳輸至上位機，進(jìn)行圓簡(jiǎn)儲煤倉內部溫度的實(shí)時(shí)監測。
3、新型防水接插式連接件
      采用接插式連接件便于連續熱電偶的安裝、拆卸及更換，而為了避免接插件及連續熱電偶內部受潮，接插件統一采用密封處理，提高其使用可靠性。圖4為新型防水接插式連接件示意圖。

4、連續熱電偶信號處理
       由于連續熱電偶的內部阻抗很高，往往能夠達到kS級甚至MS級，直接采用普通K型熱電偶變送器會(huì )產(chǎn)生較大的示值誤差。通過(guò)自主研發(fā)，采用數字化調校、無(wú)電位器、自動(dòng)零點(diǎn)校準等先進(jìn)技術(shù)，可實(shí)現連續熱電偶的采集和標準化輸出，且測量精度高，抗干擾效果好，能夠較好的配合連續熱電偶達到最優(yōu)的測溫效果。組成的系統可用來(lái)連續探測監控區域(圓簡(jiǎn)儲煤倉煤堆內部)的最高溫度，對溫度的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。
       該溫度變送器以連續熱電偶為測溫元件，將連續熱電偶信號進(jìn)行線(xiàn)性化處理，轉換為電流或電壓信號輸出，再與顯示儀表、記錄儀表以及各種控制系統配套使用。電氣原理與接線(xiàn)圖見(jiàn)圖5。

5、圓簡(jiǎn)儲煤倉煤層溫度監測系統組成
       圓筒儲煤倉--般采用數個(gè)聯(lián)排的修建形式，在頂部(一般在30m以上的高度)修建一個(gè)連接所有圓筒儲煤倉頂部的平臺(圖6)

       圓簡(jiǎn)煤倉內部實(shí)時(shí)監控系統由高強度連續熱電偶，接插式連接件，固定法蘭，補償導線(xiàn)，專(zhuān)用溫度變送器，上位機，安裝附件等部件組成(圖7)

       圖8、圖9是以某工程項目4個(gè)圓簡(jiǎn)儲煤倉為例，圓簡(jiǎn)儲煤倉頂部的平臺處，預留十二個(gè)孔，將高強度連續熱電偶從各個(gè)孔中延伸而下。待到合適深度的時(shí)候，通過(guò)法蘭固定。通過(guò)補償導線(xiàn)將連續熱電偶的信號傳輸至專(zhuān)用溫度變送器，再通過(guò)溫度變送器轉變信號后傳輸至，上位機，以顯示出圓筒儲煤倉內部實(shí)時(shí)監控的溫度信息。

四、結論
       圓簡(jiǎn)儲煤倉在常年的使用過(guò)程中存在超溫甚至自燃的隱患，必須對其煤炭?jì)炔窟M(jìn)行實(shí)施的溫度監控，以控制圓簡(jiǎn)儲煤倉的內部工況，避免事故發(fā)生。就目前的幾種圓簡(jiǎn)儲煤倉的溫度監測情況來(lái)看，使用連續熱電偶測溫系統是最先進(jìn)、也是最全面的一種監測方式。新型高強度連續熱電偶的成功制備能夠很好的應用在圓簡(jiǎn)儲煤倉的內部溫度監測領(lǐng)域。