煤礦地面儲煤倉碳纖維電加熱防堵設計與應用

馮 馳

0 前言

青磁窯煤礦于1983年開通了鐵路運煤專線，并建有儲量為4 000 t的儲煤倉，可直接裝載火車。該儲煤倉由18個小方倉組成，分東西兩列沿南北走向布置，每列9個倉，每個倉儲煤220 t。應客戶需求，平均每2～3天發一列火車。

該儲煤倉所處地勢較高，全年多風，晝夜溫差較大，夜間氣溫較低，冰凍期5個月。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

儲煤倉煤中含水率為6%～8%，裝車頻率較低，進入冬季若不采取有效供暖防凍措施，18個小倉下部的鐵質漏煤嘴及閘門將全部凍結，液壓系統凍結甚至損壞，短時間內無法解凍裝車，嚴重影響煤炭正常發運。

往年該礦使用燃煤鍋爐向儲煤倉底部鼓吹熱風實現防凍目的。由于18個漏煤口無法封閉，導致大量熱量散失，在極寒天氣，難以達到預期效果。為此本文開發設計了一套低成本、低能耗、零排放、安全可靠的電加熱系統，解決了儲煤倉防凍難題。

1 電加熱系統設計

1.1 電熱體的選用

儲煤倉的加熱不同于其他設備加熱，加熱溫度過高可能引發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動而產生遠紅外線進行制熱，功率密度為200 W/m2～400 W/m2，電熱轉化率高，具有發熱均勻、能耗低、對人體無傷害、耐腐蝕、老化速度慢、使用壽命長和一定程度的防水性等特點，是理想的儲煤倉加熱體[1]。

1.2 溫度控制設計

電加熱系統的電氣保護主要有過流、過壓、欠壓、漏電等，確保整個系統的安全可靠。電加熱系統的溫度控制部分關系著系統是否安全可靠使用的關鍵，若溫控失靈，則會產生過加熱或凍結等后果。為了確保溫度控制安全可靠，該系統采用了雙重溫度控制方式，一套以西門子PLC、模擬量模塊、溫度變送器、溫度傳感器探頭等設備進行程序命令的執行實現恒溫控制，另一套以K型溫控器和K型溫度傳感器進行控制，兩套溫控形成一主一備確保溫控時刻有效，其控制原理設計見圖1。

圖1 電氣原理圖

當閉合QF斷路器后，按SB1啟動按鈕，KM主電源接觸器吸合，過欠壓保護器自動吸合，將QF1-QF9漏電保護斷路器閉合，各電源和控制部分完成基本送電，進入到自動控制階段。K型溫度控制器啟動即K1-K6，它根據設置好的溫度值分合K1-K6常開觸點，從而對KM1-KM6加熱組進行恒溫加熱控制。為了防止K型溫度控制器內的繼電器長時間高頻次使用造成損壞，該系統又通過PLC溫控程序進行備用控制。比如對儲煤倉進行30℃加熱。K1設置的溫度為30℃，則發熱體28℃以下時K1吸合，溫度升至30℃時K1斷開。PLC程序編成35℃時J1動作吸合，J1常閉觸點斷開，KM1斷開。溫度降至32℃以下時J1釋放，J1觸點閉合，KM1閉合開始加熱。若K1無法斷開，則溫度持續升至35℃時J1動作斷開KM1電源，結束加熱，溫度降至32℃時開始加熱，如此便避免了K1無法斷開造成的過加熱問題。若K1無法閉合，當溫度降至25℃時，遠程監控電腦發出低溫報警，監控人員通過遠程操作吸合J7，KM7動作，斷開所有K型溫控器，并短接K1-K6觸點，溫控完全使用PLC實現。維修人員立即前往現場斷開QF斷路器，更換K型溫控器。

1.3 溫度監控系統設計

為了降低建設成本和后期維護使用成本，該系統采用多個儲煤倉閘門集中溫控，如此一來就不能準確的掌握每個儲煤倉閘門的溫度值，為了避免其他因素引起系統異常，且綜合成本控制和設備動態監控的完整性，該系統所有發熱單元上安裝了溫度傳感器，并將數據傳至遠端電腦進行監控，實現系統安全、可靠、廉價、穩定的使用效果，

監控系統所用的傳感器為DS18B20溫度傳感器，安裝探頭時只需將安裝位置和探頭編號記錄清楚，將編號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存溫度值。

溫度采集器的通訊方式為RS485總線方式，RS485光電轉換器通過光纜將RS485信號傳至監控室，再通過RS485轉RS232無源裝換器將信號轉換后接入電腦。

本系統使用的西門子PLC，S7-200SMART，自帶以太網端口，用以太網光電轉換器通過光纜將型號傳至監控室，接入電腦網口即可。監控系統圖見圖2。

圖2 監控系統圖

監控電腦使用組態軟件對溫度采集器和PLC進行組態，可顯示溫度采集器傳來的每個傳感器的數據，并將其編寫超溫報警、低溫報警等功能命令，實現對各加熱單元的實時監控、歷史溫度查詢分析，運行狀態顯示等功能，實現自動化、智能化的使用目的[2]。

1.4 視頻監控系統設計

為了加強電加熱系統使用安全管理，該系統的關鍵位置安裝了視頻監控攝像頭。當系統發生故障時，維修人員可根據視屏圖像觀察大致情況，配合監控電腦提示信息進行相關操作。

由于各監控點位置較近，攝相機采用POE供電方式，節約了電源線的使用。視屏信號通過POE交換機和光電裝換器將信號傳至監控室，硬盤錄像機進行圖像存儲，存儲期一個月。

1.5 電加熱單元的安裝設計

由于該電熱膜自身發熱量小，所以安裝使用過程中必須要配合一定的保溫措施，才能達到設備的防寒目的。安裝時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。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生的遠紅外波，而耐高溫硅酸鋁棉可避免電熱膜起火（小概率事件）導致的火勢蔓延。

閘門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，殼體焊接在閘門上，保護殼留口制蓋，方便電熱膜、保溫棉的插入和良好的密封性，電熱膜保護殼及安裝見圖3。

圖3 電熱膜保護殼及安裝示意圖

1.6 線纜的布設方法

由于溫度傳感器總線極易受到干擾，影響數據傳輸，所有電源線和信號總線必須使用屏蔽電線，且間隔0.3 m以上，并分別布設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，采用普通屏蔽線時總線距離不宜超出50 m。本次設計采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對線分別接地線和信號線，另一對線接VCC和地線，屏蔽層在源端接地。

1.7 儲煤倉底部保溫措施

為了防止儲煤倉底部倒梯形體因溫度過低造成凍結現象，在混凝土墻壁上安裝8厘米厚的保溫隔熱材料—聚氨酯板，阻斷低溫侵入儲煤倉，將灌入儲煤倉原煤的自身溫度保存在儲煤倉內。

2 電加熱系統應用及經濟效益

碳纖維電加熱系統2018年10月底投入使用后，18個漏煤嘴及閘門均未發生凍結，系統運行穩定未發生任何故障。

碳纖維電加熱系統總功率為9 kW，每年維修更換配件不超3 000元，不需要安排專人維護。每年總消耗約2萬元。與原燃煤鍋爐相比節約了人力、物力、財力的消耗，每年節約資金約46萬元，效益顯著。

3 結語

青磁窯煤礦儲煤倉結構復雜，冬季防凍保溫措施尤為重要，將原煤自身的熱量保存在儲煤倉內，再給容易凍結的漏煤嘴和閘門處安裝本電加熱系統，如此一來就實現了低能耗、高效率的電加熱防堵目的。