膠帶機走廊火災監測系統設計

劉恩鵬

中煤科工集團南京設計研究院有限公司

膠帶機走廊火災監測系統設計

劉恩鵬

中煤科工集團南京設計研究院有限公司

劉恩鵬（1986-）山東日照人，工程師，2012年畢業于中國礦業大學控制理論與控制工程專業，長期從事煤礦設備自動控制設計與研究工作。

本文以膠帶機走廊火災隱患為研究對象，分析了膠帶機運輸系統中膠帶打滑、托輥卡死等火災隱患的成因。結合非接觸式速度傳感器、分布式光纖溫度傳感器等檢測技術，設計了一套膠帶機走廊火災檢測系統，實現了膠帶機走廊火災隱患預測、報警。系統在應用中運行穩定、可靠，取得了良好的效果。

概述

膠帶機走廊是煤礦易發火災區域，其火災預防是煤礦火災防治的主要組成部分。其危害大，且煙氣擴散會導致重大人員傷亡，甚至誘發瓦斯爆炸造成重大事故。據礦業部門統計，膠帶機走廊火災事故約占工礦火災事故的20%。所以膠帶機走廊火災檢測系統的設計顯得非常重要。

膠帶機走廊火災的起因

滾筒打滑

正常運行條件下，膠帶相對于滾筒表面的滑差率一般在3%以內。發生打滑故障時，膠帶與滾筒表面的相對滑動會加大。兩者持續摩擦，并產生大量熱量，若不能及時排除，膠帶可能會因達到著火溫度而燃燒。

表1　膠帶著火溫度試驗

根據膠帶打滑測試，膠帶打滑持續40min，滾筒表面溫度將達到320℃左右，膠帶開始冒煙。由表1可見，膠帶在持續打滑故障中容易發生火災事故。

托輥停轉

煤炭運輸與轉載的過程中會產生大量的粉塵。粉塵會不斷地吸附到托輥上，積攢到一定量將造成托輥卡死。在托輥卡死的情況下，膠帶以2～3m/s的速度摩擦托輥。托輥因此不斷受到摩擦而升溫，從而成為膠帶火災的隱患。

膠帶機重載啟動

膠帶機重載時，若驅動滾筒與膠帶之間的摩擦力不足以驅動膠帶運行，膠帶將發生打滑故障。驅動滾筒轉動并持續摩擦同一段膠帶，時間過長將引發膠帶火災。

外界火源

除了上述膠帶機自身原因引發的火災外，外界意外火源也是膠帶著火的重要原因，譬如明火、電火花等。

膠帶機火災監測技術

滾筒打滑的監測方法

預防滾筒打滑導致火災的監控方法有：a.滾筒表面溫度直接測量法；b.膠帶相對與滾筒表面的滑差率指標法。前者較為直觀，能直接反應滾筒溫度。但是滾筒是旋轉體且直徑較大，這給溫度測量裝置安裝帶來很大困難。后者通過滑差率（膠帶與滾筒表面）預測是否發生膠帶打滑故障。該方法能及時檢測到打滑故障，從根本上避免膠帶因持續摩擦升溫的可能。

（1）驅動滾筒打滑檢測方法

由于電動機的轉速是恒定的值，所以驅動滾筒的轉速也是確定的，且與膠帶打滑故障無關。故只需要檢測膠帶的運行速度，并將其與滾筒表面的線速度相比較便可以確定滑差率。通過滑差率的值來預測打滑故障是否發生。

據帶式輸送機工程設計規范，通常工況條件下，若滑差率≥8%，系統應發出報警信號；若滑差率≥8%及運行時間≥20s或滑差率≥12%及運行時間≥5s，系統應發出停機信號。其中長距離膠帶在膠帶機啟動、穩定運行、制動的全過程中都應有速度檢測。

（2）從動滾筒打滑檢測方法

從動滾筒打滑故障的預測也借助于滑差率來實現。與驅動滾筒不同，從動滾筒是在膠帶摩擦力的作用下轉動。其轉動線速度的大小與膠帶的張力、速度等有直接關系，而非確定的值。因此，滑差率的確定需分別檢測從動滾筒表面線速度與膠帶運行速度。

非接觸式磁性速度傳感器在測量各種帶齒輪圓盤的葉輪、軸、齒輪的角速度及線速度中已獲得廣泛應用。該傳感器內部帶有整形電路。工作原理圖如圖1所示，被測量的轉動軸上安裝齒輪，調整傳感器探頭端部與齒頂的間隙S為1mm左右。齒輪在轉動軸的帶動下旋轉運動，齒頂和齒隙不斷交替地掠過傳感器的探頭端部。因此，在恒磁勢作用下，磁路的磁阻往復變化，產生感應電動勢。感應電動勢的頻率為：

當齒數為60時，被測軸每分鐘的轉數與感應電勢的頻率相等，該傳感器輸出波形為脈沖方波，可輸入到可編程控制器PLC等控制中心。

托輥打滑的檢測技術

由于膠帶機比較長，托輥數量眾多，所以電信號為基礎的溫度傳感器很難完成長距離、多測量點的檢測任務。分布式溫度傳感器能夠勝任這項任務。分布式溫度傳感器測量部位主要是光纖，比電信號測量裝置更適用于易燃易爆物質的運輸環境。一根光纖具有上公里的溫度測量范圍，較電信號測量技術節省了大量的電纜成本且易安裝和維護。

圖1　非接觸式磁性速度傳感器工作結構圖

圖2　分布式光纖溫度測量原理圖

分布式光纖溫度傳感系統的測量基礎是光纖拉曼（Raman）散射現象。激光器光源發射的高功率窄光脈沖與光纖分子相互作用，發生散射現象，散射光的主要類型包括瑞利（Rayleigh）散射、布里淵（Brillouin）散射和拉曼散射等。其中拉曼散射是與光纖分子的熱振動相關聯，對溫度有敏感，具有溫度測量意義。在光纖中散射信號是連續的，通過使用高速信號采集技術測量入射光和拉曼散射光之間的時間間隔，可得到拉曼散射光發生的位置。由于拉曼散射光對溫度敏感，所以可以沿著光纖測量到相應的溫度分布。分布式光纖測量溫度原理圖如圖2所示。

重載啟動保護

通過啟動時間和膠帶的運行速度的邏輯關系實現重載啟動條件下膠帶打滑保護。譬如膠帶機在20s內完成啟動，但是膠帶運行速度仍小于額定的運行速度的90%，可認為膠帶在重載條件下啟動時發生打滑現象，并應停機。

外界火源的監測方法

在膠帶機走廊的兩端等火災易發區域的下風側安裝煙霧傳感器。通過該類傳感器實現對外界火源引起的環境變化進行連續檢測。

火災檢測系統實現

膠帶速度傳感器的滾輪安裝在距離膠帶輸送機機頭較近處的回程帶上面，由膠帶摩擦驅動滾輪轉動，進而帶動傳感器齒輪轉動。從動滾筒的轉動部件直接驅動傳感器齒輪轉動。速度傳感器在某項目中應用安裝實物圖如圖3、圖4。傳感器測量范圍0～10m/s，工作電流不大于50mA，輸出方式：頻率輸出f=100×V，CAN總線輸出Vout=25×V（V為膠帶速度，m/s，Vout為傳感器輸出數值）。該檢測裝置運行穩定、可靠，能夠實時準確地反映膠帶運行速度，保證了膠帶運輸機的正常運轉，效果良好。

圖3　膠帶運行速度檢測實物

圖4　從動輪轉速檢測實物

圖5　膠帶傳輸線托輥溫度檢測

測溫光纖在某膠帶傳輸物料項目中應用，如圖5所示。測溫光纖采用兩根62.5/125μm的多模光纖。測量距離4km且分辨率1.5m，感溫范圍-190℃～460℃且精度±1℃，完整測量時間15s。該檢測裝置能夠實時準確地反映出膠帶沿線溫度，并較準確的預警了膠帶托輥卡死故障，延長了膠帶的使用壽命，保證了膠帶運輸機的正常運轉，效果良好。

結語

速度傳感器運行穩定、可靠，能夠實時準確地反映膠帶運行速度。分布式光纖溫度傳感器能夠實時測得膠帶沿線的溫度，基本實現對膠帶托輥卡死故障的檢測。膠帶機走廊火災檢測系統能及時、準確地對火災隱患進行檢測，具有較強的實踐意義。同時，延長了膠帶的使用壽命，保證了膠帶運輸的正常運轉，效果良好。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.050