蜂窩型集束式煤倉(cāng)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用

黃國(guó)新 朱雷 蔣新強(qiáng)

摘 要：蜂窩型集束式全封閉貯煤場(chǎng)，是具有國(guó)際先進(jìn)理念及國(guó)內(nèi)一流水平的現(xiàn)代化、自動(dòng)化的儲(chǔ)煤設(shè)施，它有效減少煤塵污染，節(jié)約土地資源，環(huán)保效益明顯。本文主要介紹了蜂窩型集束式煤倉(cāng)及與之配套的惰化系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在華能長(zhǎng)興電廠的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：蜂窩型集束式煤倉(cāng)；惰化系統(tǒng)；安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0 引言

儲(chǔ)煤設(shè)施是燃煤電廠的重要生產(chǎn)設(shè)施，儲(chǔ)煤設(shè)施存煤量的多少以及對(duì)于減少損耗、防止自燃、環(huán)保、混煤等方面技術(shù)要求滿足的程度，影響占用流動(dòng)資金的多少，也影響發(fā)電運(yùn)行的穩(wěn)定性。

國(guó)內(nèi)大型燃煤電廠主要采用傳統(tǒng)條形煤場(chǎng)、圓形煤場(chǎng)等儲(chǔ)煤方式。蜂窩型集束式煤倉(cāng)貯煤方式則是以上二種方式以外的新型儲(chǔ)煤技術(shù)。華能長(zhǎng)興電廠地處大氣污染防治的重點(diǎn)地區(qū)，環(huán)境保護(hù)要求高，對(duì)電廠的節(jié)能和低排放限值要求較高，因此經(jīng)多方論證，采用蜂窩型集束式煤倉(cāng)作為貯煤場(chǎng)。是國(guó)內(nèi)第一家采用蜂窩型集束式煤倉(cāng)應(yīng)用于大型電廠儲(chǔ)煤的企業(yè)。

1 工程概況

華能長(zhǎng)興電廠“上大壓小”工程為異地?cái)U(kuò)建2×660MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，同步建設(shè)煙氣脫硫、脫硝裝置。來(lái)煤廠外運(yùn)輸方式為水路船運(yùn)，廠內(nèi)碼頭采用挖入式港池布置，分設(shè)錨地和卸煤碼頭各一個(gè)。卸煤碼頭為1000噸級(jí)，提供8個(gè)泊位（包括遠(yuǎn)期擴(kuò)建2個(gè)），安裝6臺(tái)300噸/小時(shí)橋式抓斗卸船機(jī)（預(yù)留2臺(tái)遠(yuǎn)期擴(kuò)建卸船機(jī)位置），年卸煤量330萬(wàn)噸，可滿足2×660MW超超臨界機(jī)組耗煤量的需求。燃煤由卸船機(jī)卸至卸煤線皮帶機(jī)一路可送至蜂窩型集束式煤倉(cāng)儲(chǔ)存；另一路直接經(jīng)上倉(cāng)線將燃煤送至原煤倉(cāng)。

2 蜂窩型集束式煤倉(cāng)

2.1 蜂窩型集束式煤倉(cāng)簡(jiǎn)介

華能長(zhǎng)興電廠蜂窩型集束式封閉儲(chǔ)煤倉(cāng)，長(zhǎng)208.35米，寬60.45米，煤倉(cāng)頂面高45m。整個(gè)倉(cāng)體由48個(gè)正六邊形鋼筋混凝土蜂窩結(jié)構(gòu)的小煤倉(cāng)組成，呈四行集束排列（每行12個(gè)），形同筒狀。單倉(cāng)儲(chǔ)量約4000噸，最大可儲(chǔ)存約20萬(wàn)噸燃煤，可保證2臺(tái)660MW機(jī)組20天的用煤量。蜂窩型集束式煤倉(cāng)頂部布置四條堆煤皮帶機(jī)，配置44套電動(dòng)雙側(cè)犁煤器作為儲(chǔ)煤倉(cāng)的配煤機(jī)械。每個(gè)儲(chǔ)煤倉(cāng)下部配1個(gè)圓形鋼漏斗，漏斗出口布置1臺(tái)活化給煤機(jī)，總計(jì)48臺(tái)。蜂窩型集束式煤倉(cāng)底部布置四條出料皮帶機(jī)，與活化給煤機(jī)配合使用。

倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)煤長(zhǎng)期存放，會(huì)使煤溫度升高，因煤的導(dǎo)熱系數(shù)較小，熱量向四周擴(kuò)散較慢，熱量聚集在煤堆內(nèi)使煤堆內(nèi)部溫度升高，當(dāng)溫度、可燃?xì)怏w濃度達(dá)到一定數(shù)值后，煤的氧化速度隨著加速，生成熱也隨之大幅增加，甚至可能引發(fā)爆燃等重大事故。為此整個(gè)系統(tǒng)裝備了包括惰化系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、防爆泄壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

本系統(tǒng)48個(gè)儲(chǔ)煤倉(cāng)共用一套惰化保護(hù)、綜合安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到危險(xiǎn)信號(hào)，控制系統(tǒng)接收信號(hào)并發(fā)送，惰化系統(tǒng)逐級(jí)啟動(dòng)，采用鎖、充、換對(duì)蜂窩型集束式煤倉(cāng)進(jìn)行全方位的惰化保護(hù)，同時(shí)防爆泄壓裝置打開(kāi)排出可燃?xì)怏w，有效達(dá)到防爆、控爆的效果，延長(zhǎng)儲(chǔ)煤的自燃和陰燃周期。整套系統(tǒng)采用全套自動(dòng)（手動(dòng)）控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作。

防爆泄壓系統(tǒng)包括重力式自動(dòng)啟閉防爆門及預(yù)開(kāi)啟式泄壓門。

控制系統(tǒng)由智能前端、PLC控制柜、計(jì)算機(jī)工控系統(tǒng)組成。同時(shí)，采用各種抗噪聲技術(shù)、包括阻容吸收、光電隔離、高共模抑制比、合理的接地和屏蔽，以防止就地元?dú)饧蚋蓴_而引起誤動(dòng)。制氮、傳感器設(shè)備能在環(huán)境溫度-40℃～300℃，相對(duì)濕度10%～95%的環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行，以適應(yīng)輸煤系統(tǒng)惡劣環(huán)境。

2.2 蜂窩型集束式煤倉(cāng)的運(yùn)行方式

2.2.1 進(jìn)煤運(yùn)行方式

卸煤碼頭布置的卸船機(jī)抓取燃煤經(jīng)卸船機(jī)料斗卸至卸煤皮帶機(jī)送至蜂窩型集束式煤倉(cāng)儲(chǔ)存。蜂窩型集束式煤倉(cāng)頂部布置四條堆煤皮帶機(jī)，配置44套電動(dòng)雙側(cè)犁煤器作為儲(chǔ)煤倉(cāng)的進(jìn)煤機(jī)械。

2.2.2 出煤運(yùn)行方式

每個(gè)蜂窩型集束式煤倉(cāng)下部配1個(gè)圓形鋼漏斗，漏斗出口布置1臺(tái)活化給煤機(jī)（額定出力200～900噸/小時(shí)），總計(jì)48臺(tái)。蜂窩型集束式煤倉(cāng)底部布置四條出料皮帶機(jī)，與活化給煤機(jī)配合使用，經(jīng)上倉(cāng)線皮帶機(jī)將倉(cāng)內(nèi)燃煤送至原煤倉(cāng)。

蜂窩型集束式煤倉(cāng)進(jìn)煤按“同倉(cāng)同批次”儲(chǔ)存，嚴(yán)禁將設(shè)計(jì)煤種、設(shè)計(jì)混合用褐煤、校核煤種1和校核煤種2置于同一倉(cāng)內(nèi)。

單一煤種出煤，不考慮摻配，按溫度、存煤時(shí)間、倉(cāng)位依次出倉(cāng)，一般采用一臺(tái)給煤機(jī)最大出力運(yùn)行，以縮短單倉(cāng)存煤周期。

兩煤種同時(shí)出煤時(shí)，配煤摻燒根據(jù)活化給煤機(jī)按1：1分配出力，總出力不大于加倉(cāng)額定量（1100噸/小時(shí)）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)活化給煤機(jī)出力進(jìn)行了初步優(yōu)化調(diào)整。目前出力調(diào)整為160噸/小時(shí)至800噸/小時(shí)，這樣既兼顧了單一煤種上倉(cāng)效率，同時(shí)又滿足兩個(gè)煤種同時(shí)摻配的要求。

3 蜂窩型集束式煤倉(cāng)惰化系統(tǒng)

目前的研究普遍認(rèn)為：煤氧復(fù)合熱效應(yīng)與溫度、氧氣濃度、煤的粒徑三者相對(duì)關(guān)聯(lián)度較大。據(jù)有關(guān)研究資料考證，無(wú)論從壓實(shí)煤層降低空氣進(jìn)入煤顆粒間的空隙、還是降低空氣對(duì)流速度，都證明控制煤層間的含氧量是抑制煤自燃行之有效的方法。當(dāng)氧含量降低至5%～10%以下時(shí)，可抑制煤炭氧化自燃，氧含量降至3%以下時(shí)，可完全抑制煤炭等可燃物的陰燃和復(fù)燃。因此在抑制煤自燃、燃爆方面，本系統(tǒng)設(shè)置充氮系統(tǒng)和上部通風(fēng)系統(tǒng)。倉(cāng)內(nèi)充氮?dú)庖罁?jù)DL/T 5203-2005《火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》設(shè)計(jì)氮?dú)舛杌到y(tǒng)，通過(guò)向煤層內(nèi)充氮?dú)猓M(jìn)一步地降低煤層中的含氧量。

根據(jù)煤倉(cāng)特征，惰性氣體緩注系統(tǒng)設(shè)計(jì)“鎖氣、充氣、換氣”裝置，保證氮?dú)饽軌蜃畲蟪潭鹊鼐鶆驖B入煤層，避免氣體溝流情況發(fā)生，每個(gè)煤倉(cāng)設(shè)計(jì)鎖氣、充氣、換氣管網(wǎng)共6層。

當(dāng)煤倉(cāng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到參數(shù)報(bào)警時(shí)，立即啟動(dòng)煤倉(cāng)惰化保護(hù)系統(tǒng)對(duì)煤倉(cāng)注入惰性氣體，稀釋煤倉(cāng)內(nèi)可燃易爆氣體和氧氣的濃度，抑制煤的自燃和陰燃，保障煤倉(cāng)儲(chǔ)煤的安全。

惰化系統(tǒng)控制運(yùn)行策略為：

堆料（加倉(cāng)）：加倉(cāng)信號(hào)置1—→啟動(dòng)布袋除塵器；犁煤器信號(hào)置0延時(shí)30s—→停運(yùn)布袋除塵器—→開(kāi)啟換氣閥充氮?dú)?h—→關(guān)閉換氣閥。

出料（出倉(cāng)）：出倉(cāng)信號(hào)置1—→啟動(dòng)活化給煤機(jī)—→開(kāi)啟鎖閥充氮?dú)狻敝脸鰝}(cāng)停止（停運(yùn)活化給煤機(jī)）—→關(guān)閉鎖氣閥。

4 綜合安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

蜂窩型集束式煤倉(cāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括溫度監(jiān)測(cè)、可燃性氣體監(jiān)測(cè)、一氧化碳?xì)怏w監(jiān)測(cè)、氧含量（含廊道）監(jiān)測(cè)、煙霧監(jiān)測(cè)、料位監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，并采取相應(yīng)保護(hù)措施

4.1 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

煤的自燃要經(jīng)歷多個(gè)不同階段，當(dāng)煤堆煤溫在常溫至60℃時(shí)，煤樣與空氣接觸后，吸附氧生成不穩(wěn)定的氧化物，此時(shí)煤的氧化過(guò)程平穩(wěn)而緩慢，氧化放熱量很少，有微量的CO放出；如果煤溫繼續(xù)上升，從60℃上升至80℃，煤的氧化速度加快，水分開(kāi)始蒸發(fā)，煤中不穩(wěn)定的氧化物開(kāi)始分解成水以及釋放出CO、CO2氣體。氧化產(chǎn)生的熱量使煤溫繼續(xù)升高，達(dá)到自熱的臨界約為80℃，此階段耗氧量有明顯增加，CO的發(fā)生量也隨溫度上升而逐級(jí)增加；當(dāng)煤溫超過(guò)自熱的臨界溫度80℃后，煤的氧化進(jìn)程加快，隨著煤溫的升高，開(kāi)始出現(xiàn)煤的干餾，生成碳?xì)浠衔铩湟约癈O等可燃?xì)怏w；當(dāng)環(huán)境條件能繼續(xù)維持煤氧化自熱的進(jìn)行，則可能使煤溫上升到煤的著火點(diǎn)而導(dǎo)致自燃，因此我們選擇45℃這個(gè)臨界中間點(diǎn)作為中級(jí)報(bào)警值，以70℃這個(gè)臨界中間點(diǎn)作為高級(jí)報(bào)警值。當(dāng)倉(cāng)內(nèi)任一溫度測(cè)點(diǎn)達(dá)到45℃時(shí)，發(fā)出中級(jí)報(bào)警，充氣層開(kāi)始充氣，以降低煤堆中氧含量，延緩煤的自燃，同時(shí)摻配時(shí)優(yōu)先使用溫度中級(jí)報(bào)警的蜂窩型集束式煤倉(cāng)內(nèi)的存煤，加快消耗進(jìn)度，防止煤的自燃。

蜂窩型集束式煤倉(cāng)錐斗端面溫度傳感器選用PT100，端面?zhèn)鞲衅髯鶅?nèi)充滿保溫材料防止熱散失。當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成近似勻速的增長(zhǎng)。但它們之間的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的正比的關(guān)系，而更應(yīng)該趨近于一條拋物線。

每個(gè)筒倉(cāng)配置4套煤層多點(diǎn)測(cè)溫纜式傳感器，采用倉(cāng)頂懸掛底部自由端安裝方式，伸入筒倉(cāng)煤層內(nèi)部，48個(gè)筒倉(cāng)共配置192套。

根據(jù)論文《煤堆自燃原因分析與防治措施》中的研究表明，儲(chǔ)煤倉(cāng)煤堆可分為3層：冷卻層、氧化層、窒息層。冷卻層為煤堆表層，約0.5～1.5m，松散，雖氧化反應(yīng)，但散熱好，不易自燃；氧化層：位于冷卻層以下，厚度1～4m左右；窒息層：位于氧化層以下，煤層相對(duì)壓實(shí)，供氧不充分，且含水率高，氧化程度低，不易發(fā)生自燃。因此儲(chǔ)煤倉(cāng)煤堆發(fā)生自燃的部位既不在煤堆的表面，也不在煤堆深部，而在煤堆表層1.5m以下。

根據(jù)《煤自燃實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬研究》的實(shí)驗(yàn)研究表明，煤炭在自燃自熱的過(guò)程中，高溫點(diǎn)一般處于煤堆中部位置，靠近倉(cāng)壁的位置由于存在熱傳導(dǎo)性，不易產(chǎn)生溫度堆積。所以為了更加全面監(jiān)測(cè)筒倉(cāng)內(nèi)各部位儲(chǔ)煤的溫度，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用煤層多點(diǎn)測(cè)溫纜式傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)筒倉(cāng)內(nèi)煤層溫度。

4.2 可燃?xì)庑泽w監(jiān)測(cè)

綜合氣體檢測(cè)裝置，對(duì)碳?xì)浠衔铮–H4）、CO、O2、煙霧采用抽取式氣體采樣系統(tǒng)。據(jù)相關(guān)研究資料表明，可燃?xì)怏w主要成分為碳?xì)浠衔铮–H4）、氫氣（H2）和一氧化碳（CO），方倉(cāng)內(nèi)可燃可爆氣體通過(guò)在方倉(cāng)頂部安裝的高精度過(guò)濾采樣探頭、經(jīng)采樣泵收集倉(cāng)內(nèi)氣體由采樣管線至分析箱內(nèi)進(jìn)行分析。

所有監(jiān)測(cè)探頭均安裝于分析箱內(nèi)，通過(guò)抽氣泵采集樣氣（采樣流速7.3m/s；采樣泵出口壓力2.5bar；采樣泵入口真空度160mbar），采用并聯(lián)式氣體傳輸結(jié)構(gòu)，有效降低作用在傳感器上的流速、壓力，使之測(cè)量更精確。裝置還配置有反吹系統(tǒng)，對(duì)高精度過(guò)濾采樣探頭及管線進(jìn)行反吹，防止采樣探頭堵塞。

儲(chǔ)煤倉(cāng)頂（底）部皮帶兩側(cè)走廊氧氣、一氧化碳監(jiān)測(cè)主要用來(lái)保證人身安全，由于倉(cāng)內(nèi)的氣體有可能泄露，因而對(duì)于在煤倉(cāng)上部及下部廊道從事工作的人員的人身安全尤為重要。缺氧會(huì)導(dǎo)致人窒息，一氧化碳濃度超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致人員中毒。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《QSY1242-2009進(jìn)入受限空間安全管理規(guī)范》要求，受限空間內(nèi)外的氧濃度應(yīng)一致，若不一致，在授權(quán)進(jìn)入受限空間之前，應(yīng)確定偏差的原因，氧濃度應(yīng)保持在19.5%～23.5%。因此，煤倉(cāng)倉(cāng)頂部皮帶走廊O2濃度報(bào)警值設(shè)定：19.5%vol；皮帶走廊CO濃度報(bào)警值設(shè)定值：20ppm。

6 蜂窩型集束式煤倉(cāng)與其他儲(chǔ)煤方式的比較

首先，蜂窩型集束式煤倉(cāng)的煤場(chǎng)征地面積小、土石方量少、場(chǎng)地利用率高，并且倉(cāng)壁可公用且單位占地儲(chǔ)煤容量大，布置可以更緊湊并可降低造價(jià)；其次，整個(gè)煤倉(cāng)處于全封閉結(jié)構(gòu)，存放燃煤不受氣候條件影響，工作時(shí)給料均勻，有效減少篩、碎設(shè)備及落煤管的堵煤現(xiàn)象，以保證廠內(nèi)運(yùn)煤系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間在額定工況下運(yùn)行；其次，采用的設(shè)備性能先進(jìn)可靠、自動(dòng)化程度較高，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，系統(tǒng)堆料、取料作業(yè)的可靠性提高；再次，封閉式結(jié)構(gòu)避免了煤倉(cāng)內(nèi)的煤塵外逸污染環(huán)境，具備環(huán)保優(yōu)點(diǎn)；最后，多個(gè)煤倉(cāng)的運(yùn)行組合方式較多，其設(shè)備的備用率高，運(yùn)行系統(tǒng)更加靈活，可以適應(yīng)混煤工況。

從另一方面來(lái)說(shuō)，首先該類型煤倉(cāng)的土建及設(shè)備投資巨大，施工期較長(zhǎng)，對(duì)于高揮發(fā)分煤種需要設(shè)置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和惰化保護(hù)設(shè)施，其次每座蜂窩型集束式煤倉(cāng)邊角的物料流動(dòng)性差，雖然已采取了噴射混凝土，消除死角的措施，還是需要在運(yùn)行中定期采取針對(duì)性的檢查，防止搭橋積煤。

7 結(jié)束語(yǔ)

不斷問(wèn)世的大機(jī)組、大容量電廠對(duì)貯煤的要求日益提高，貯煤場(chǎng)正朝著大型化或巨型化的趨勢(shì)發(fā)展。蜂窩型集束式煤倉(cāng)由于其固有的特點(diǎn)，不僅將有助于減小對(duì)既定煤源及外部條件的依賴程度，提升煤炭采購(gòu)便利性、多渠道化，合理控制生產(chǎn)成本，增強(qiáng)電廠的生存能力，并且在環(huán)保方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，在電廠的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

華能長(zhǎng)興電廠在貯煤方式上進(jìn)行了有益的嘗試和探索，其蜂窩型集束式煤倉(cāng)自投用以來(lái)一直處于安全穩(wěn)定運(yùn)行中，為電廠取得了巨大的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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