選煤廠封閉式煤炭輸送通道實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)

侯 婧

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012;3.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012)

近年來(lái)，隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，我國(guó)也在大力推進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展，選煤行業(yè)積極響應(yīng)，對(duì)生產(chǎn)線的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了封閉改造，以實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)煤不見(jiàn)煤，存輸不露煤”的安全、高效、清潔的生產(chǎn)目標(biāo)[1]。

封閉式煤炭輸送通道內(nèi)有煤、線纜和帶式輸送機(jī)等可燃物，且設(shè)備運(yùn)行中可能出現(xiàn)電火花和設(shè)備過(guò)熱等現(xiàn)象，加之輸送通道內(nèi)有充足的空氣，煤炭在輸送過(guò)程中會(huì)形成一定濃度的煤塵，一旦遇到明火就會(huì)發(fā)生爆燃事故，因此火災(zāi)、爆燃是最主要、最普遍、最經(jīng)常威脅到煤炭輸送通道內(nèi)人員及財(cái)產(chǎn)安全的事故。運(yùn)輸系統(tǒng)作為選煤廠高效生產(chǎn)的橋梁，做好及時(shí)、有效的安全監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)或消除危險(xiǎn)，是保障選煤廠安全、高效、清潔生產(chǎn)的關(guān)鍵。

1 封閉式煤炭輸送通道概述

1.1 封閉式煤炭輸送通道的特點(diǎn)

封閉式煤炭輸送通道作為選煤廠主要的煤炭輸送通道，通常具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

(1)通道傾斜，跨度較遠(yuǎn)。封閉式煤炭輸送通道為滿足工藝要求，通道長(zhǎng)度可達(dá)到幾百米，且大部分含有傾斜結(jié)構(gòu)，人員出入口都在通道兩端與主建筑相連，輸送通道內(nèi)無(wú)人員值守，有些隱患不易被發(fā)現(xiàn)，視頻監(jiān)控也會(huì)存在監(jiān)控盲點(diǎn)。此外，傾斜的輸送通道很容易形成空氣對(duì)流，當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)容易加大火勢(shì)[2]。

(2)空間有限，架高很大。封閉式煤炭輸送通道僅布置帶式輸送機(jī)，通常只預(yù)留一條人員通道，空間有限，而輸送通道的高度可達(dá)到幾十米，因此當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，進(jìn)入輸送通道去撲救的危險(xiǎn)較大，而在通道外撲救又會(huì)出現(xiàn)水壓不足、消防裝置不完備等問(wèn)題。

1.2 封閉式煤炭輸送通道危險(xiǎn)因素

1.2.1 煤塵爆炸

煤在封閉式輸送通道運(yùn)輸時(shí)，轉(zhuǎn)載和落料處容易產(chǎn)生煤塵云，由于形成煤塵云的煤粒粒徑較小，通常<10 μm，所以始終懸浮在空氣中，與空氣形成大面積接觸[3]。當(dāng)煤塵濃度達(dá)到極限時(shí)，遇到明火、電火花就會(huì)發(fā)生爆炸。煤塵爆炸的極限濃度與煤粒粒徑、煤塵分散壓力、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度有關(guān)，通常情況下煤塵爆炸的下限濃度為20～60 g/m3，上限濃度為2 000～6 000 g/m3，當(dāng)煤塵濃度在300～400 g/m3時(shí)，煤塵爆炸的危害程度最大[4]。

1.2.2 煤的自燃

煤在輸送時(shí)會(huì)不同程度地散落在帶式輸送機(jī)外側(cè)和設(shè)備導(dǎo)料槽處，帶式輸送機(jī)的機(jī)頭、機(jī)尾和滾筒等處也會(huì)有不同程度的積煤，如果清理不及時(shí)、不徹底，就會(huì)形成煤粉堆積[5]。空氣中的氧氣會(huì)與堆積的煤粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，一方面降低了煤自燃的溫度，另一方面會(huì)產(chǎn)生易燃、易揮發(fā)的氣體，當(dāng)煤粉堆積到一定程度且環(huán)境溫度合適時(shí)會(huì)引發(fā)煤粉自燃，由于煤粉自燃初期不易被發(fā)覺(jué)，封閉式輸送通道的結(jié)構(gòu)又有助于火勢(shì)的蔓延，因此煤粉自燃后如果不能及早發(fā)現(xiàn)和撲救，就會(huì)演變成輸煤系統(tǒng)的火災(zāi)事故。

1.2.3 帶式輸送機(jī)局部高溫

帶式輸送機(jī)是選煤廠最常用的運(yùn)輸設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、拆卸方便，長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離的連續(xù)工作，大大降低了運(yùn)輸成本。由于長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作和惡劣的工作環(huán)境影響，帶式輸送機(jī)的托輥軸承和滾筒軸承都會(huì)有潤(rùn)滑脂泄漏，同時(shí)空氣中的煤塵也容易混入到潤(rùn)滑脂中，使?jié)櫥Ч儾睿涌燧S承磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)托輥卡轉(zhuǎn)、帶式輸送機(jī)跑偏、打滑的情況，會(huì)因較大的摩擦力出現(xiàn)局部溫度升高的現(xiàn)象，通常這種設(shè)備異常產(chǎn)生的局部高溫會(huì)引燃設(shè)備上的煤，形成火災(zāi)[6]。

1.2.4 明火

在封閉式煤炭輸送通道內(nèi)進(jìn)行設(shè)備檢修時(shí)，如果有割焊工具漏氣、防火保護(hù)措施不到位、割焊操作不符合規(guī)定等情況，檢修中就會(huì)出現(xiàn)膠管破裂燃燒、回火、電焊焊渣飛濺等情況，這些明火很容易點(diǎn)燃通道內(nèi)的煤粉、機(jī)油等，一旦撲救不及時(shí)就會(huì)引發(fā)火災(zāi)，造成巨大損失。

1.2.5 電氣短路

封閉式煤炭輸送通道內(nèi)有電動(dòng)機(jī)、配電箱、控制箱、電纜等，當(dāng)遇到電壓超高、絕緣層被腐蝕或老化、電器控制開(kāi)關(guān)觸頭接觸電阻升高過(guò)熱等導(dǎo)致線路絕緣不良，金屬零件松動(dòng)觸碰電線，電線松弛或斷落在物體上，煤粉進(jìn)入電氣設(shè)備等情況，都極易引起電氣短路，出現(xiàn)電流瞬間增大，溫度急劇升高的現(xiàn)象，當(dāng)溫度達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)就會(huì)使電線燃燒，如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，還會(huì)引燃通道中其他可燃物，形成火災(zāi)[7]。

1.3 封閉式煤炭輸送通道火災(zāi)的特點(diǎn)

封閉式煤炭輸送通道因其輸送距離長(zhǎng)、整體架高大、內(nèi)部空間有限，所以火災(zāi)具有以下特點(diǎn)：

(1)火災(zāi)初期不易發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情。由于封閉式煤炭輸送通道并不設(shè)置工人值守，且距離較長(zhǎng)、巡檢時(shí)間間隔較大，而視頻監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)有監(jiān)控盲點(diǎn)，溫感、煙感傳感器靈敏度不高，所以火災(zāi)隱患和初期階段火災(zāi)都很難被發(fā)現(xiàn)[8]。

(2)火災(zāi)發(fā)展速度快。通常在封閉式煤炭輸送通道發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)已形成一定的火勢(shì)，加上通道內(nèi)火災(zāi)荷載大，傾斜式通道會(huì)產(chǎn)生空氣對(duì)流，加劇火勢(shì)，一旦通道內(nèi)電纜著火，火勢(shì)更會(huì)以20 m/min的速度進(jìn)行蔓延。

(3)火災(zāi)撲救難度大。由于封閉式煤炭輸送通道僅在兩端與主建筑連接處，內(nèi)部空間有限，當(dāng)火災(zāi)形成一定的火勢(shì)，會(huì)產(chǎn)生大量高溫、有毒的濃煙，此時(shí)，如果撲救人員進(jìn)入到輸送通道內(nèi)進(jìn)行滅火，不僅困難重重，而且嚴(yán)重威脅到撲救人員的生命安全。如果從外側(cè)進(jìn)行撲救，一方面不能確定具體的著火位置，另一方面如果通道架高過(guò)大，超過(guò)消防設(shè)施的救援高度，也會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

綜合以上特點(diǎn)，為了降低火災(zāi)的發(fā)生率，減小火災(zāi)對(duì)選煤廠造成的損失，防止人員傷亡，在封閉式煤炭輸送通道內(nèi)設(shè)置實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)十分必要，對(duì)維護(hù)選煤廠安全、高效生產(chǎn)有著重要意義[9]。

2 封閉式煤炭輸送通道實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 封閉式煤炭輸送通道實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

選煤廠封閉式煤炭輸送通道實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)以西門(mén)子的S7-300系列PLC作為控制核心，將實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳遞到工控機(jī)和移動(dòng)終端，生成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)判定信息，準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，自動(dòng)消除部分隱患，推送警示信息給管理人員[10]。

圖1 封閉式煤炭輸送通道實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

該系統(tǒng)重點(diǎn)對(duì)三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分別是帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、重點(diǎn)位置的煤塵濃度和通道內(nèi)的煙霧濃度。不同傳感器設(shè)置不同的標(biāo)準(zhǔn)值和報(bào)警范圍，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，當(dāng)數(shù)據(jù)值超出標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，PLC會(huì)對(duì)相應(yīng)故障點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并向終端發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)做出應(yīng)急反應(yīng)，選煤廠封閉式煤炭輸送通道實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 封閉式煤炭輸送通道實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2.2 帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

帶式輸送機(jī)是封閉式煤炭輸送通道中最主要的運(yùn)行設(shè)備，其工作狀態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)選煤廠的運(yùn)行狀況。該系統(tǒng)中對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)主要監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面，分別是電機(jī)振動(dòng)和設(shè)備溫度。

在帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸承外殼上安裝一體式振動(dòng)傳感器，對(duì)垂直和水平方向的振動(dòng)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)不同電機(jī)的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)振動(dòng)速度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

利用HRC-P6400系列紅外熱成像攝像機(jī)對(duì)帶式輸送機(jī)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。紅外熱成像攝像機(jī)具有自動(dòng)變焦功能，監(jiān)測(cè)溫度在-20～700 ℃，監(jiān)測(cè)距離最遠(yuǎn)可達(dá)到500 m，通過(guò)360 ℃云臺(tái)安裝在通道頂部，對(duì)于傾斜通道則安裝在較高一側(cè)。紅外熱成像攝像機(jī)的遠(yuǎn)紅外特性可以有效防止監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)水霧、煤塵的影響，形成清晰的圖像。對(duì)于帶式輸送機(jī)工作過(guò)程中出現(xiàn)的局部高溫和堆煤表面的溫度變化，可以直接檢測(cè)出溫度，并將圖像和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳。當(dāng)局部溫度超出標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警并啟動(dòng)細(xì)水霧噴淋裝置降溫[11]。

2.3 煤塵濃度探測(cè)

由于煤塵達(dá)到一定濃度時(shí)，遇明火就會(huì)發(fā)生爆炸燃燒，因此對(duì)煤塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)是十分必要的。在煤炭運(yùn)輸過(guò)程中，出現(xiàn)煤塵的原因主要是在煤含水量不高時(shí)，轉(zhuǎn)載落煤產(chǎn)生的煤塵，因此，只需要在帶式輸送機(jī)的機(jī)尾處設(shè)置煤塵濃度傳感器。煤塵濃度傳感器是利用激光散射原理，對(duì)單位體積空氣中指定粒徑的煤塵個(gè)數(shù)進(jìn)行精確檢測(cè)、計(jì)算和科學(xué)標(biāo)定，來(lái)實(shí)現(xiàn)煤塵濃度的實(shí)時(shí)輸出[12]。

我國(guó)選煤廠粉塵濃度標(biāo)準(zhǔn)[13]見(jiàn)表1。各選煤廠根據(jù)粉塵中游離二氧化硅含量確定煤塵濃度傳感器的報(bào)警值，由于呼吸性粉塵對(duì)人體傷害最大，所以煤塵濃度傳感器監(jiān)測(cè)的煤塵粒徑設(shè)置成≤5 μm，當(dāng)傳感器檢測(cè)到的呼吸性粉塵濃度超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的最大濃度時(shí)，啟動(dòng)細(xì)水霧噴淋裝置進(jìn)行抑塵，抑塵效果能達(dá)到90%以上。

表1 選煤廠粉塵濃度標(biāo)準(zhǔn)

2.4 極早期煙霧探測(cè)

極早期煙霧探測(cè)器在煙霧濃度為0.001% obs/m時(shí)即可發(fā)出警告，是普通煙感探測(cè)器的2 000倍，靈敏度極高。整個(gè)設(shè)備包含電源、采樣管網(wǎng)和探測(cè)器，探測(cè)器包括控制器、工業(yè)級(jí)光學(xué)探測(cè)腔、過(guò)濾器和吸氣泵。工作時(shí)，采樣管網(wǎng)在吸氣泵的作用下對(duì)輸送通道內(nèi)空氣進(jìn)行取樣，灰塵、煤塵等影響探測(cè)準(zhǔn)確性的雜質(zhì)會(huì)由過(guò)濾器過(guò)濾掉，氣體樣本被送到工業(yè)級(jí)光學(xué)探測(cè)腔接受高強(qiáng)度寬光譜光源照射，根據(jù)高強(qiáng)度寬光譜光源的強(qiáng)弱變化，測(cè)出煙霧濃度。濃度數(shù)值會(huì)自動(dòng)傳輸?shù)焦た貦C(jī)和移動(dòng)終端，生成動(dòng)態(tài)曲線；濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)采樣管進(jìn)行定位并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)細(xì)水霧噴淋裝置進(jìn)行滅火。

封閉式煤炭輸送通道每200 m使用一臺(tái)極早期煙霧探測(cè)器，采樣管網(wǎng)鋪設(shè)于通道頂部，每隔7～9 m設(shè)置一個(gè)空氣采樣孔，探測(cè)器配套的吸氣泵選用了0.002 MPa的吸氣壓力，即使在空氣流動(dòng)性很大的環(huán)境中也能夠有效收取空氣樣本[14]，探測(cè)器配套的可拆卸過(guò)濾器，能過(guò)濾掉空氣樣本中除煙霧粒子以外的雜質(zhì)，大大降低了誤報(bào)幾率，而且現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)方便，提高了監(jiān)測(cè)的可靠性。

2.5 細(xì)水霧噴淋裝置

細(xì)水霧噴淋裝置是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其核心是細(xì)水霧噴頭，把水在特定的工作壓力下分解成粒徑Dv0.99≤400 μm的霧滴，且Dv0.50≤200 μm 的細(xì)水霧。細(xì)水霧噴淋滅火可以在設(shè)備不斷電的情況下進(jìn)行，而且在噴淋過(guò)程中一方面能夠降低溫度和煤塵濃度，另一方面能對(duì)有毒濃煙進(jìn)行有效降解，對(duì)消防人員的生命安全提供有利保障[15]。細(xì)水霧噴淋裝置作為當(dāng)前綠色消防的前沿技術(shù)，可以有效取代現(xiàn)有的滅火系統(tǒng)，其突出的滅火效率和更加廣泛的適用類(lèi)型在實(shí)際應(yīng)用中得到了很好的展現(xiàn)。

封閉式煤炭輸送通道中細(xì)水霧噴頭布置在相鄰兩個(gè)煙霧探測(cè)器空氣采樣管中間，帶式輸送機(jī)機(jī)尾位置噴頭的安裝使用萬(wàn)向支座，在進(jìn)行抑塵時(shí)可以全方位噴淋。細(xì)水霧噴淋裝置由細(xì)水霧噴頭、供水管道、過(guò)濾器、高壓供水裝置和區(qū)域控制閥組構(gòu)成。為防止細(xì)水霧噴頭堵塞，結(jié)合選煤廠水源特點(diǎn)，在高壓供水裝置進(jìn)水口前端進(jìn)行三重過(guò)濾，過(guò)濾精度依次為500、200、100 μm，在水進(jìn)入供水管道前需要進(jìn)行管網(wǎng)過(guò)濾，過(guò)濾精度為50 μm，在水進(jìn)入細(xì)水霧噴頭前進(jìn)行最后一次過(guò)濾，過(guò)濾精度為10 μm。過(guò)濾器需要定期檢查和更換。

設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)接收到PLC對(duì)已定位采樣區(qū)域附近的細(xì)水霧噴淋裝置發(fā)出的啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，高壓供水裝置對(duì)相應(yīng)區(qū)域已開(kāi)啟的控制閥供水，高壓水經(jīng)細(xì)水霧噴頭對(duì)著需求區(qū)域?qū)嵤﹪婌F，消除事故因素，報(bào)警解除后，細(xì)水霧噴淋裝置自動(dòng)停止噴水并復(fù)位。該過(guò)程也可手動(dòng)進(jìn)行操作。

3 結(jié)論

選煤廠封閉式煤炭輸送通道實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸煤通道內(nèi)非安全因素的全面監(jiān)測(cè)和調(diào)控。可以實(shí)時(shí)顯示封閉通道煤塵濃度曲線；實(shí)時(shí)顯示帶式輸送機(jī)溫度和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)速度曲線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；利用細(xì)水霧噴淋裝置實(shí)時(shí)調(diào)控煤塵濃度，及時(shí)消除危險(xiǎn)因素，保證生產(chǎn)安全；利用極早期煙霧探測(cè)器和紅外熱成像傳感器及早發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患；實(shí)時(shí)推送重要信息給管理人員，對(duì)盡快消除設(shè)備隱患提供了時(shí)間保障；系統(tǒng)可隨時(shí)調(diào)取歷史數(shù)據(jù)并可生成報(bào)表，對(duì)分析生產(chǎn)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)提供了依據(jù)。

通過(guò)對(duì)選煤廠封閉式煤炭輸送通道實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)的分析與研究，得出以下結(jié)論：

(1)選煤廠封閉式煤炭輸送通道存在粉塵濃度超標(biāo)、設(shè)備振動(dòng)或溫度不正常、電器火花等危險(xiǎn)因素，嚴(yán)重威脅人身、設(shè)備安全以及生產(chǎn)運(yùn)行安全，選煤廠在生產(chǎn)運(yùn)行中需要對(duì)這些危險(xiǎn)因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并控制。

(2)選煤廠封閉式煤炭輸送通道實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)所采用的振動(dòng)傳感器、紅外熱成像攝像機(jī)、煤塵濃度傳感器、極早期煙霧探測(cè)器、細(xì)水霧噴頭等都有成熟的產(chǎn)品以及在其他行業(yè)成功應(yīng)用的案例，因此在選煤廠封閉式煤炭輸送通道實(shí)施安全信息監(jiān)測(cè)與控制在技術(shù)上可行。

(3)選煤廠封閉式煤炭輸送通道實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)的投入成本不高，對(duì)保障選煤廠人員安全和設(shè)備安全，以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率具有重要作用，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，值得推廣應(yīng)用。