储煤筒仓智能化保护系统的设计

郭新安，田 野，周 鹏，李雪薇

（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）

储煤系统是煤矿、火电厂的重要设施，储煤筒仓作为一种全封闭存储的煤炭存储方式，具备环保，节能，节约土地，流程简单，存储过程损耗低等优点[1]。然而储煤筒仓由于结构复杂、空间密闭等特点，大幅增加了安全控制的难度。目前储煤筒仓煤炭发生自燃后，具有：前期不易觉察事故极易扩大化发展，救援过程中风险大，灭火难度高，变化趋势无法整体把控等一系列痛点；并对附近人员及设备造成潜在的高危风险亟需对筒仓煤炭自燃发火进行监测并设计行之有效的防灭火措施[2]。

1 筒仓智能化保护系统

筒仓智能化保护系统包括监测系统、惰化保护系统、消防系统、自动泄爆系统以及控制系统5 大部分。监测系统在筒仓周围设置各种温度、烟雾、可燃气体、有毒气体、红外热成像仪、料位计等监测设备，对筒仓内部的煤炭进行全方位、多方面、深层次的监测[3-5]，根据煤种特性设定对应报警参数，当系统监测到某一参数超过设定参数上限时立刻发出相应的报警信号，在出现异常情况时，控制系统中的PLC接收检测系统监测的数据，依据相应的报警值，开启惰化保护系统一级锁、二级充、三级换保护手段，以上手段无效时，自动启动灭火系统，射流灭火装备启动阻止煤燃烧，一旦情况难以控制筒仓内发生煤火灾或爆炸，自动泄爆系统也可以抵挡爆炸带来的危害，实现智能化预防和防治筒仓煤火灾。

1.1 监测系统

监测系统包括温度监测、可燃性气体监测、烟雾监测和料位监测，是筒仓智能化保护系统的眼睛。

温度监测包括PT100 温度传感器、红外热成像仪和测温电缆；T100 温度传感器安装在落煤口处和筒仓中部，监测这2 处仓壁的温度，为惰化保护系统提供开启信号；红外热成像仪在筒仓顶部开孔安装，对筒仓内情况进行巡航监测，并把内部煤表面的实时温度信号传给控制系统；测温电缆安装在仓顶至筒仓中下部，可监测煤层内部的温度，三者结合可以完美呈现筒仓内各部位煤体的温度。

可燃性气体检测包括CO、O2和CH4；CO 传感器和O2传感器均为电化学型传感器，CO 监测传感器安装在筒仓顶部，O2探测器安装在筒仓顶刮板输送机、筒仓底部带式输送机和出料口给煤机，CH4监测传感器安装在筒仓顶部；束管监测系统通过抽气泵将仓体气体送入色谱仪进行分析，显示N2、CO2、C2H4、C2H6、C2H2、H2等气体的变化。

烟雾粉尘传感器通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范；烟雾传感器安装在筒仓顶部。

料位检测采用雷达料位计，实时监测筒仓内煤的仓位。确保煤量处于安全仓位，筒仓内检测仪器数量及安装位置情况表见表1。

表1 筒仓内检测仪器数量及安装位置情况表

1.2 惰化保护系统

筒仓惰化保护系统装置主要包括：制氮系统、储气罐、阀堆、锁气、充气、换气、各种连接管路等，是筒仓智能化保护系统的预防煤火灾的有效手段。

制氮系统大致分为3 类：深冷空分制氮、分子筛空分制氮、膜空分制氮。原理大致都为将空气中氮气以物理方法剥离；在实际现场应用中采用分子筛空分制氮，辅以膜空分制氮。

储气罐储存得到的氮气，依据筒仓的数量和体积设计储气罐的数量和体积，一般采用Q345R 材质。

阀堆由减压阀、电动阀、手动阀、压力表组成；将储气罐内的氮气经过三级减压，依次连接到锁、充、换气管道。

锁气层位于落料口处，当监测系统监测到3 d没有进出煤时，发出初级报警信号，安全保护系统自动开启锁气阀，用氮气锁住出煤口，阻止空气从落煤口向储煤层渗透，使筒仓持续和外界封闭、隔绝，从而抑制煤的自燃阴燃。

充气层安装在筒仓内，位于筒仓直段与锥段交接处；当安全监测系统监测到仓内温度≥40 ℃或甲烷体积分数≥25% 或一氧化碳体积分数≥50%，发出高级报警信号；系统自动启动充气阀，使氮气最大限度、均匀的充入相应的煤层中；多点式的连续充气，可降低煤层温度及可燃性气浓度，确保煤层安全。

换气层安装筒仓外部，筒仓的中上部。当安全监测系统监测到温度≥70 ℃或甲烷体积分数≥40%或一氧化碳体积分数≥100%或有烟雾报警信号时，发出高级报警信号；系统自动开启换气阀和相应的自动跟踪换气组件，向煤层上表面充入氮气，将煤层上部空间的可燃气体从仓顶置换排出，达到另一级保护储仓目的。

1.3 水消防系统

消防系统包括火灾探测器、热追踪装置、消防泵、电动阀和射流灭火装备，是筒仓智能化保护系统的治理煤火灾的有效手段。

火灾探测器具有火焰探测及现场智能监控功能，火灾探测器将火灾信息传送到控制系统；火灾报警信息经控制系统处理后发出火警信号，通过热追踪装置将现场以红外图像呈现，同时启动相应的射流灭火装备装置在热追踪装置下自动定位并锁定火源点，通过远程控制自动启动消防泵和射流灭火装备，电动阀打开进行喷射氮气泡沫或高压水灭火；射流灭火装备装置也具有远程手动灭火方式和现场手动灭火方式：远程手动灭火通过在中控室的现场红外图像确定火源点，在控制面板启动射流灭火装备，实施灭火；现场手动灭火是在现场发现火源点，通过现场控制射流灭火装备，实施灭火；多种方式结合以确保灭火系统的可靠和稳定。

1.4 自动泄爆系统

自动泄爆系统包括防爆门状态感受器和防爆门，是整个筒仓智能化保护系统的最后保障。

当筒仓中的压力达到防爆门设定的起爆压力时，防爆门自动开启，将筒仓内的可燃气体和有毒气体释放出去，达到保护筒仓的目的。

1.5 控制系统

控制系统是整个筒仓智能化保护系统的大脑，穿插在整个安全保护系统中，其工作过程为：数据箱接收监测系统传来的监测数据，PLC 分析处理采集信号与专业检测数据库对比数据的风险值；风险值若高于报警值，根据报警信号自动开启相应阀门，使气体充入仓内相应部位或开启消防系统，消除危险源；若严重失控时，防爆系统生效保护筒仓，多级多点及时的保护措施确保筒仓及周边设备的安全运行。

2 筒仓生产管理

1）进仓煤炭管控。在原煤进仓输送带上加装红外热成像仪，通过热成像能实时检测进仓煤温，严禁超过40 ℃原煤进入筒仓内：检测煤在40～70 ℃时，立即停止一次破碎机翻煤作业，坑下上煤区间进行调整，进入仓内原煤快速进行循环。检测煤温≥70℃时，立即急停输送带，对输送带上原煤进行洒水降温，并将发热原煤从输送带上清理下来，严禁将发热煤运入筒仓内。从源头切断煤火灾的发生。

2）给煤机循环。储煤仓放煤时，严格按照给煤机的循环要求，每台给煤机每3 d 循环1 次，每次循环1 000 t，通过加快筒仓原煤的循环，减少筒仓内原煤的存放时间，降低筒仓着火的风险。

3）动火作业管控。筒仓仓上、仓下给煤机平台区域动火作业提级管理，按特级动火作业审批；筒仓动火作业前制定安全技术措施，由专人检查安全防护措施，设双人监护；筒仓动火对仓口、刮板输送机、给煤机等进行封堵，防止焊渣、火星等点火源进入。火星作为点火源，煤作为可燃物，两者在合适的条件下会发生燃烧现象，另外筒仓内粉尘较多，且处于相对密封环境，易发生粉尘爆炸。

4）筒仓仓位管理。将筒仓安全仓位定为7 000 t，储煤量在该位置时底部横梁均有储煤覆盖，避免仓底储煤接触氧气，加快氧化反应发生自燃[6-8]。储煤长时间存放，给煤机正上方储煤循环较快，但靠近筒仓仓壁储煤存在挂壁现象，始终无法放出，长时间存放易出现发热迹象，每月1 日、16 日对储煤仓仓位降到安全仓位，通过热成像仪进行观察，将筒仓内储煤放至漏斗口处，靠近仓壁上的储煤全部放出。避免筒仓内的煤发生氧化放热行为。

5）构建多个煤发热指标。从原煤工作面上采取煤样，经过中国矿业大学防灭火研究实验室对煤炭自燃的气体指标检测，确定乙烯、一氧化碳为自然气体指标，同步使用乙烯气体检测仪，检测储煤仓内乙烯、乙炔气体含量，打破以往只检测一氧化碳和二氧化碳作为储煤发热的1 个依据，从多个方面分析筒仓内储煤发热的原因，有效管控筒仓火灾的发生。

3 现场应用

为了得到智能化保护系统在储煤仓筒内的可行性和合理性，将该系统应用于露天煤矿筒仓，地面生产系统共7 座筒仓。

2021 年6 月储煤筒仓曾出现煤发热现象，起初的判断数据来源于现场人员的实测和单一监测仪器，对发热煤的地区和面积无法及时掌握，对后续的处理措施效果无法有效评判。在采用智能化保护系统后，监测系统不仅可以掌握筒仓内的温度也可以通过检测仪器清楚确定发热煤的位置和周边环境，采取水射流、惰化等综合措施及时处置。

4 结语

为了系统解决储煤筒仓煤炭自燃无法及时预测及发火后难以处理的问题，建立了储煤筒仓智能保护系统。

1）通过设置温度、烟雾、可燃气体、红外监控等监测设备，可以实时对筒仓储煤进行全方位、多方面、深层次的监测，掌握煤炭自燃发火情况，达到预测预警的目的。

2）通过设置惰化、水消防等灭火系统，对发热点进行精准灭火，设置自动泄爆系统也可以最大限度减少爆炸带来的危害，实现智能化预防和防治筒仓煤火灾。

3）通过加强日常生产管理，采取措施加快筒仓内储煤循环、防止高温煤等进入筒仓。