選煤廠封閉式煤炭輸送通道實時安全監控系統

侯 婧

(1.中煤科工集團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研究中心，河北 唐山 063012;3.天地(唐山)礦業科技有限公司，河北 唐山 063012)

近年來，隨著環保意識的增強，我國也在大力推進煤炭產業的綠色發展，選煤行業積極響應，對生產線的各個環節進行了封閉改造，以實現“產煤不見煤，存輸不露煤”的安全、高效、清潔的生產目標[1]。

封閉式煤炭輸送通道內有煤、線纜和帶式輸送機等可燃物，且設備運行中可能出現電火花和設備過熱等現象，加之輸送通道內有充足的空氣，煤炭在輸送過程中會形成一定濃度的煤塵，一旦遇到明火就會發生爆燃事故，因此火災、爆燃是最主要、最普遍、最經常威脅到煤炭輸送通道內人員及財產安全的事故。運輸系統作為選煤廠高效生產的橋梁，做好及時、有效的安全監控，及時發現或消除危險，是保障選煤廠安全、高效、清潔生產的關鍵。

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

封閉式煤炭輸送通道作為選煤廠主要的煤炭輸送通道，通常具有以下兩個特點：

(1)通道傾斜，跨度較遠。封閉式煤炭輸送通道為滿足工藝要求，通道長度可達到幾百米，且大部分含有傾斜結構，人員出入口都在通道兩端與主建筑相連，輸送通道內無人員值守，有些隱患不易被發現，視頻監控也會存在監控盲點。此外，傾斜的輸送通道很容易形成空氣對流，當有火災發生時容易加大火勢[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，通常只預留一條人員通道，空間有限，而輸送通道的高度可達到幾十米，因此當出現火災時，進入輸送通道去撲救的危險較大，而在通道外撲救又會出現水壓不足、消防裝置不完備等問題。

1.2 封閉式煤炭輸送通道危險因素

1.2.1 煤塵爆炸

煤在封閉式輸送通道運輸時，轉載和落料處容易產生煤塵云，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]。當煤塵濃度達到極限時，遇到明火、電火花就會發生爆炸。煤塵爆炸的極限濃度與煤粒粒徑、煤塵分散壓力、環境溫度、相對濕度有關，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，當煤塵濃度在300～400 g/m3時，煤塵爆炸的危害程度最大[4]。

1.2.2 煤的自燃

煤在輸送時會不同程度地散落在帶式輸送機外側和設備導料槽處，帶式輸送機的機頭、機尾和滾筒等處也會有不同程度的積煤，如果清理不及時、不徹底，就會形成煤粉堆積[5]?？諝庵械难鯕鈺c堆積的煤粉發生化學反應，一方面降低了煤自燃的溫度，另一方面會產生易燃、易揮發的氣體，當煤粉堆積到一定程度且環境溫度合適時會引發煤粉自燃，由于煤粉自燃初期不易被發覺，封閉式輸送通道的結構又有助于火勢的蔓延，因此煤粉自燃后如果不能及早發現和撲救，就會演變成輸煤系統的火災事故。

1.2.3 帶式輸送機局部高溫

帶式輸送機是選煤廠最常用的運輸設備，其結構簡單，安裝、拆卸方便，長度可根據實際情況進行調整，能夠實現長距離的連續工作，大大降低了運輸成本。由于長時間的連續工作和惡劣的工作環境影響，帶式輸送機的托輥軸承和滾筒軸承都會有潤滑脂泄漏，同時空氣中的煤塵也容易混入到潤滑脂中，使潤滑效果變差，加快軸承磨損，嚴重時會出現托輥卡轉、帶式輸送機跑偏、打滑的情況，會因較大的摩擦力出現局部溫度升高的現象，通常這種設備異常產生的局部高溫會引燃設備上的煤，形成火災[6]。

1.2.4 明火

在封閉式煤炭輸送通道內進行設備檢修時，如果有割焊工具漏氣、防火保護措施不到位、割焊操作不符合規定等情況，檢修中就會出現膠管破裂燃燒、回火、電焊焊渣飛濺等情況，這些明火很容易點燃通道內的煤粉、機油等，一旦撲救不及時就會引發火災，造成巨大損失。

1.2.5 電氣短路

封閉式煤炭輸送通道內有電動機、配電箱、控制箱、電纜等，當遇到電壓超高、絕緣層被腐蝕或老化、電器控制開關觸頭接觸電阻升高過熱等導致線路絕緣不良，金屬零件松動觸碰電線，電線松弛或斷落在物體上，煤粉進入電氣設備等情況，都極易引起電氣短路，出現電流瞬間增大，溫度急劇升高的現象，當溫度達到著火點時就會使電線燃燒，如果發現不及時，還會引燃通道中其他可燃物，形成火災[7]。

1.3 封閉式煤炭輸送通道火災的特點

封閉式煤炭輸送通道因其輸送距離長、整體架高大、內部空間有限，所以火災具有以下特點：

(1)火災初期不易發現險情。由于封閉式煤炭輸送通道并不設置工人值守，且距離較長、巡檢時間間隔較大，而視頻監控系統會有監控盲點，溫感、煙感傳感器靈敏度不高，所以火災隱患和初期階段火災都很難被發現[8]。

(2)火災發展速度快。通常在封閉式煤炭輸送通道發現火災時，火災已形成一定的火勢，加上通道內火災荷載大，傾斜式通道會產生空氣對流，加劇火勢，一旦通道內電纜著火，火勢更會以20 m/min的速度進行蔓延。

(3)火災撲救難度大。由于封閉式煤炭輸送通道僅在兩端與主建筑連接處，內部空間有限，當火災形成一定的火勢，會產生大量高溫、有毒的濃煙，此時，如果撲救人員進入到輸送通道內進行滅火，不僅困難重重，而且嚴重威脅到撲救人員的生命安全。如果從外側進行撲救，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大，超過消防設施的救援高度，也會造成嚴重的后果。

綜合以上特點，為了降低火災的發生率，減小火災對選煤廠造成的損失，防止人員傷亡，在封閉式煤炭輸送通道內設置實時安全監控系統十分必要，對維護選煤廠安全、高效生產有著重要意義[9]。

2 封閉式煤炭輸送通道實時安全監控系統

2.1 封閉式煤炭輸送通道實時安全監控系統架構

選煤廠封閉式煤炭輸送通道實時安全監控系統架構如圖1所示。實時安全監控系統以西門子的S7-300系列PLC作為控制核心，將實時監控數據通過以太網傳遞到工控機和移動終端，生成實時動態判定信息，準確定位故障點，自動消除部分隱患，推送警示信息給管理人員[10]。

圖1 封閉式煤炭輸送通道實時安全監控系統架構圖

該系統重點對三個方面進行實時監測，分別是帶式輸送機的運行狀態、重點位置的煤塵濃度和通道內的煙霧濃度。不同傳感器設置不同的標準值和報警范圍，監測數據實時上傳，當數據值超出標準值時，PLC會對相應故障點進行準確定位，并向終端發出報警信號，同時做出應急反應，選煤廠封閉式煤炭輸送通道實時安全監控系統框圖如圖2所示。

圖2 封閉式煤炭輸送通道實時安全監控系統框圖

2.2 帶式輸送機運行狀態監測

帶式輸送機是封閉式煤炭輸送通道中最主要的運行設備，其工作狀態直接關系到整個選煤廠的運行狀況。該系統中對帶式輸送機運行狀態主要監測兩個方面，分別是電機振動和設備溫度。

在帶式輸送機驅動電機的軸承外殼上安裝一體式振動傳感器，對垂直和水平方向的振動速度進行實時監測。根據不同電機的振動標準值進行設置，當振動速度超過標準值時發出報警信號。

利用HRC-P6400系列紅外熱成像攝像機對帶式輸送機溫度進行監測。紅外熱成像攝像機具有自動變焦功能，監測溫度在-20～700 ℃，監測距離最遠可達到500 m，通過360 ℃云臺安裝在通道頂部，對于傾斜通道則安裝在較高一側。紅外熱成像攝像機的遠紅外特性可以有效防止監測范圍內水霧、煤塵的影響，形成清晰的圖像。對于帶式輸送機工作過程中出現的局部高溫和堆煤表面的溫度變化，可以直接檢測出溫度，并將圖像和數據實時上傳。當局部溫度超出標準值時，系統報警并啟動細水霧噴淋裝置降溫[11]。

2.3 煤塵濃度探測

由于煤塵達到一定濃度時，遇明火就會發生爆炸燃燒，因此對煤塵濃度進行監測是十分必要的。在煤炭運輸過程中，出現煤塵的原因主要是在煤含水量不高時，轉載落煤產生的煤塵，因此，只需要在帶式輸送機的機尾處設置煤塵濃度傳感器。煤塵濃度傳感器是利用激光散射原理，對單位體積空氣中指定粒徑的煤塵個數進行精確檢測、計算和科學標定，來實現煤塵濃度的實時輸出[12]。

我國選煤廠粉塵濃度標準[13]見表1。各選煤廠根據粉塵中游離二氧化硅含量確定煤塵濃度傳感器的報警值，由于呼吸性粉塵對人體傷害最大，所以煤塵濃度傳感器監測的煤塵粒徑設置成≤5 μm，當傳感器檢測到的呼吸性粉塵濃度超過國家標準的最大濃度時，啟動細水霧噴淋裝置進行抑塵，抑塵效果能達到90%以上。

表1 選煤廠粉塵濃度標準

2.4 極早期煙霧探測

極早期煙霧探測器在煙霧濃度為0.001% obs/m時即可發出警告，是普通煙感探測器的2 000倍，靈敏度極高。整個設備包含電源、采樣管網和探測器，探測器包括控制器、工業級光學探測腔、過濾器和吸氣泵。工作時，采樣管網在吸氣泵的作用下對輸送通道內空氣進行取樣，灰塵、煤塵等影響探測準確性的雜質會由過濾器過濾掉，氣體樣本被送到工業級光學探測腔接受高強度寬光譜光源照射，根據高強度寬光譜光源的強弱變化，測出煙霧濃度。濃度數值會自動傳輸到工控機和移動終端，生成動態曲線；濃度達到報警值時，系統會對采樣管進行定位并發出報警信號，同時啟動細水霧噴淋裝置進行滅火。

封閉式煤炭輸送通道每200 m使用一臺極早期煙霧探測器，采樣管網鋪設于通道頂部，每隔7～9 m設置一個空氣采樣孔，探測器配套的吸氣泵選用了0.002 MPa的吸氣壓力，即使在空氣流動性很大的環境中也能夠有效收取空氣樣本[14]，探測器配套的可拆卸過濾器，能過濾掉空氣樣本中除煙霧粒子以外的雜質，大大降低了誤報幾率，而且現場維護方便，提高了監測的可靠性。

2.5 細水霧噴淋裝置

細水霧噴淋裝置是系統的執行機構，其核心是細水霧噴頭，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 的細水霧。細水霧噴淋滅火可以在設備不斷電的情況下進行，而且在噴淋過程中一方面能夠降低溫度和煤塵濃度，另一方面能對有毒濃煙進行有效降解，對消防人員的生命安全提供有利保障[15]。細水霧噴淋裝置作為當前綠色消防的前沿技術，可以有效取代現有的滅火系統，其突出的滅火效率和更加廣泛的適用類型在實際應用中得到了很好的展現。

封閉式煤炭輸送通道中細水霧噴頭布置在相鄰兩個煙霧探測器空氣采樣管中間，帶式輸送機機尾位置噴頭的安裝使用萬向支座，在進行抑塵時可以全方位噴淋。細水霧噴淋裝置由細水霧噴頭、供水管道、過濾器、高壓供水裝置和區域控制閥組構成。為防止細水霧噴頭堵塞，結合選煤廠水源特點，在高壓供水裝置進水口前端進行三重過濾，過濾精度依次為500、200、100 μm，在水進入供水管道前需要進行管網過濾，過濾精度為50 μm，在水進入細水霧噴頭前進行最后一次過濾，過濾精度為10 μm。過濾器需要定期檢查和更換。

設備運行過程中，當接收到PLC對已定位采樣區域附近的細水霧噴淋裝置發出的啟動信號時，高壓供水裝置對相應區域已開啟的控制閥供水，高壓水經細水霧噴頭對著需求區域實施噴霧，消除事故因素，報警解除后，細水霧噴淋裝置自動停止噴水并復位。該過程也可手動進行操作。

3 結論

選煤廠封閉式煤炭輸送通道實時安全監控系統實現了對輸煤通道內非安全因素的全面監測和調控?？梢詫崟r顯示封閉通道煤塵濃度曲線；實時顯示帶式輸送機溫度和驅動電機的振動速度曲線，實時監測帶式輸送機的運行狀態；利用細水霧噴淋裝置實時調控煤塵濃度，及時消除危險因素，保證生產安全；利用極早期煙霧探測器和紅外熱成像傳感器及早發現和消除安全隱患；實時推送重要信息給管理人員，對盡快消除設備隱患提供了時間保障；系統可隨時調取歷史數據并可生成報表，對分析生產和設備運行狀態提供了依據。

通過對選煤廠封閉式煤炭輸送通道實時安全監控系統的分析與研究，得出以下結論：

(1)選煤廠封閉式煤炭輸送通道存在粉塵濃度超標、設備振動或溫度不正常、電器火花等危險因素，嚴重威脅人身、設備安全以及生產運行安全，選煤廠在生產運行中需要對這些危險因素進行實時監測并控制。

(2)選煤廠封閉式煤炭輸送通道實時安全監控系統所采用的振動傳感器、紅外熱成像攝像機、煤塵濃度傳感器、極早期煙霧探測器、細水霧噴頭等都有成熟的產品以及在其他行業成功應用的案例，因此在選煤廠封閉式煤炭輸送通道實施安全信息監測與控制在技術上可行。

(3)選煤廠封閉式煤炭輸送通道實時安全監控系統的投入成本不高，對保障選煤廠人員安全和設備安全，以及提高勞動生產率具有重要作用，經濟和社會效益顯著，值得推廣應用。