选煤厂封闭式煤炭输送通道实时安全监控系统

侯 婧

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012;3.天地(唐山)矿业科技有限公司，河北 唐山 063012)

近年来，随着环保意识的增强，我国也在大力推进煤炭产业的绿色发展，选煤行业积极响应，对生产线的各个环节进行了封闭改造，以实现“产煤不见煤，存输不露煤”的安全、高效、清洁的生产目标[1]。

封闭式煤炭输送通道内有煤、线缆和带式输送机等可燃物，且设备运行中可能出现电火花和设备过热等现象，加之输送通道内有充足的空气，煤炭在输送过程中会形成一定浓度的煤尘，一旦遇到明火就会发生爆燃事故，因此火灾、爆燃是最主要、最普遍、最经常威胁到煤炭输送通道内人员及财产安全的事故。运输系统作为选煤厂高效生产的桥梁，做好及时、有效的安全监控，及时发现或消除危险，是保障选煤厂安全、高效、清洁生产的关键。

1 封闭式煤炭输送通道概述

1.1 封闭式煤炭输送通道的特点

封闭式煤炭输送通道作为选煤厂主要的煤炭输送通道，通常具有以下两个特点：

(1)通道倾斜，跨度较远。封闭式煤炭输送通道为满足工艺要求，通道长度可达到几百米，且大部分含有倾斜结构，人员出入口都在通道两端与主建筑相连，输送通道内无人员值守，有些隐患不易被发现，视频监控也会存在监控盲点。此外，倾斜的输送通道很容易形成空气对流，当有火灾发生时容易加大火势[2]。

(2)空间有限，架高很大。封闭式煤炭输送通道仅布置带式输送机，通常只预留一条人员通道，空间有限，而输送通道的高度可达到几十米，因此当出现火灾时，进入输送通道去扑救的危险较大，而在通道外扑救又会出现水压不足、消防装置不完备等问题。

1.2 封闭式煤炭输送通道危险因素

1.2.1 煤尘爆炸

煤在封闭式输送通道运输时，转载和落料处容易产生煤尘云，由于形成煤尘云的煤粒粒径较小，通常<10 μm，所以始终悬浮在空气中，与空气形成大面积接触[3]。当煤尘浓度达到极限时，遇到明火、电火花就会发生爆炸。煤尘爆炸的极限浓度与煤粒粒径、煤尘分散压力、环境温度、相对湿度有关，通常情况下煤尘爆炸的下限浓度为20～60 g/m3，上限浓度为2 000～6 000 g/m3，当煤尘浓度在300～400 g/m3时，煤尘爆炸的危害程度最大[4]。

1.2.2 煤的自燃

煤在输送时会不同程度地散落在带式输送机外侧和设备导料槽处，带式输送机的机头、机尾和滚筒等处也会有不同程度的积煤，如果清理不及时、不彻底，就会形成煤粉堆积[5]。空气中的氧气会与堆积的煤粉发生化学反应，一方面降低了煤自燃的温度，另一方面会产生易燃、易挥发的气体，当煤粉堆积到一定程度且环境温度合适时会引发煤粉自燃，由于煤粉自燃初期不易被发觉，封闭式输送通道的结构又有助于火势的蔓延，因此煤粉自燃后如果不能及早发现和扑救，就会演变成输煤系统的火灾事故。

1.2.3 带式输送机局部高温

带式输送机是选煤厂最常用的运输设备，其结构简单，安装、拆卸方便，长度可根据实际情况进行调整，能够实现长距离的连续工作，大大降低了运输成本。由于长时间的连续工作和恶劣的工作环境影响，带式输送机的托辊轴承和滚筒轴承都会有润滑脂泄漏，同时空气中的煤尘也容易混入到润滑脂中，使润滑效果变差，加快轴承磨损，严重时会出现托辊卡转、带式输送机跑偏、打滑的情况，会因较大的摩擦力出现局部温度升高的现象，通常这种设备异常产生的局部高温会引燃设备上的煤，形成火灾[6]。

1.2.4 明火

在封闭式煤炭输送通道内进行设备检修时，如果有割焊工具漏气、防火保护措施不到位、割焊操作不符合规定等情况，检修中就会出现胶管破裂燃烧、回火、电焊焊渣飞溅等情况，这些明火很容易点燃通道内的煤粉、机油等，一旦扑救不及时就会引发火灾，造成巨大损失。

1.2.5 电气短路

封闭式煤炭输送通道内有电动机、配电箱、控制箱、电缆等，当遇到电压超高、绝缘层被腐蚀或老化、电器控制开关触头接触电阻升高过热等导致线路绝缘不良，金属零件松动触碰电线，电线松弛或断落在物体上，煤粉进入电气设备等情况，都极易引起电气短路，出现电流瞬间增大，温度急剧升高的现象，当温度达到着火点时就会使电线燃烧，如果发现不及时，还会引燃通道中其他可燃物，形成火灾[7]。

1.3 封闭式煤炭输送通道火灾的特点

封闭式煤炭输送通道因其输送距离长、整体架高大、内部空间有限，所以火灾具有以下特点：

(1)火灾初期不易发现险情。由于封闭式煤炭输送通道并不设置工人值守，且距离较长、巡检时间间隔较大，而视频监控系统会有监控盲点，温感、烟感传感器灵敏度不高，所以火灾隐患和初期阶段火灾都很难被发现[8]。

(2)火灾发展速度快。通常在封闭式煤炭输送通道发现火灾时，火灾已形成一定的火势，加上通道内火灾荷载大，倾斜式通道会产生空气对流，加剧火势，一旦通道内电缆着火，火势更会以20 m/min的速度进行蔓延。

(3)火灾扑救难度大。由于封闭式煤炭输送通道仅在两端与主建筑连接处，内部空间有限，当火灾形成一定的火势，会产生大量高温、有毒的浓烟，此时，如果扑救人员进入到输送通道内进行灭火，不仅困难重重，而且严重威胁到扑救人员的生命安全。如果从外侧进行扑救，一方面不能确定具体的着火位置，另一方面如果通道架高过大，超过消防设施的救援高度，也会造成严重的后果。

综合以上特点，为了降低火灾的发生率，减小火灾对选煤厂造成的损失，防止人员伤亡，在封闭式煤炭输送通道内设置实时安全监控系统十分必要，对维护选煤厂安全、高效生产有着重要意义[9]。

2 封闭式煤炭输送通道实时安全监控系统

2.1 封闭式煤炭输送通道实时安全监控系统架构

选煤厂封闭式煤炭输送通道实时安全监控系统架构如图1所示。实时安全监控系统以西门子的S7-300系列PLC作为控制核心，将实时监控数据通过以太网传递到工控机和移动终端，生成实时动态判定信息，准确定位故障点，自动消除部分隐患，推送警示信息给管理人员[10]。

图1 封闭式煤炭输送通道实时安全监控系统架构图

该系统重点对三个方面进行实时监测，分别是带式输送机的运行状态、重点位置的煤尘浓度和通道内的烟雾浓度。不同传感器设置不同的标准值和报警范围，监测数据实时上传，当数据值超出标准值时，PLC会对相应故障点进行准确定位，并向终端发出报警信号，同时做出应急反应，选煤厂封闭式煤炭输送通道实时安全监控系统框图如图2所示。

图2 封闭式煤炭输送通道实时安全监控系统框图

2.2 带式输送机运行状态监测

带式输送机是封闭式煤炭输送通道中最主要的运行设备，其工作状态直接关系到整个选煤厂的运行状况。该系统中对带式输送机运行状态主要监测两个方面，分别是电机振动和设备温度。

在带式输送机驱动电机的轴承外壳上安装一体式振动传感器，对垂直和水平方向的振动速度进行实时监测。根据不同电机的振动标准值进行设置，当振动速度超过标准值时发出报警信号。

利用HRC-P6400系列红外热成像摄像机对带式输送机温度进行监测。红外热成像摄像机具有自动变焦功能，监测温度在-20～700 ℃，监测距离最远可达到500 m，通过360 ℃云台安装在通道顶部，对于倾斜通道则安装在较高一侧。红外热成像摄像机的远红外特性可以有效防止监测范围内水雾、煤尘的影响，形成清晰的图像。对于带式输送机工作过程中出现的局部高温和堆煤表面的温度变化，可以直接检测出温度，并将图像和数据实时上传。当局部温度超出标准值时，系统报警并启动细水雾喷淋装置降温[11]。

2.3 煤尘浓度探测

由于煤尘达到一定浓度时，遇明火就会发生爆炸燃烧，因此对煤尘浓度进行监测是十分必要的。在煤炭运输过程中，出现煤尘的原因主要是在煤含水量不高时，转载落煤产生的煤尘，因此，只需要在带式输送机的机尾处设置煤尘浓度传感器。煤尘浓度传感器是利用激光散射原理，对单位体积空气中指定粒径的煤尘个数进行精确检测、计算和科学标定，来实现煤尘浓度的实时输出[12]。

我国选煤厂粉尘浓度标准[13]见表1。各选煤厂根据粉尘中游离二氧化硅含量确定煤尘浓度传感器的报警值，由于呼吸性粉尘对人体伤害最大，所以煤尘浓度传感器监测的煤尘粒径设置成≤5 μm，当传感器检测到的呼吸性粉尘浓度超过国家标准的最大浓度时，启动细水雾喷淋装置进行抑尘，抑尘效果能达到90%以上。

表1 选煤厂粉尘浓度标准

2.4 极早期烟雾探测

极早期烟雾探测器在烟雾浓度为0.001% obs/m时即可发出警告，是普通烟感探测器的2 000倍，灵敏度极高。整个设备包含电源、采样管网和探测器，探测器包括控制器、工业级光学探测腔、过滤器和吸气泵。工作时，采样管网在吸气泵的作用下对输送通道内空气进行取样，灰尘、煤尘等影响探测准确性的杂质会由过滤器过滤掉，气体样本被送到工业级光学探测腔接受高强度宽光谱光源照射，根据高强度宽光谱光源的强弱变化，测出烟雾浓度。浓度数值会自动传输到工控机和移动终端，生成动态曲线；浓度达到报警值时，系统会对采样管进行定位并发出报警信号，同时启动细水雾喷淋装置进行灭火。

封闭式煤炭输送通道每200 m使用一台极早期烟雾探测器，采样管网铺设于通道顶部，每隔7～9 m设置一个空气采样孔，探测器配套的吸气泵选用了0.002 MPa的吸气压力，即使在空气流动性很大的环境中也能够有效收取空气样本[14]，探测器配套的可拆卸过滤器，能过滤掉空气样本中除烟雾粒子以外的杂质，大大降低了误报几率，而且现场维护方便，提高了监测的可靠性。

2.5 细水雾喷淋装置

细水雾喷淋装置是系统的执行机构，其核心是细水雾喷头，把水在特定的工作压力下分解成粒径Dv0.99≤400 μm的雾滴，且Dv0.50≤200 μm 的细水雾。细水雾喷淋灭火可以在设备不断电的情况下进行，而且在喷淋过程中一方面能够降低温度和煤尘浓度，另一方面能对有毒浓烟进行有效降解，对消防人员的生命安全提供有利保障[15]。细水雾喷淋装置作为当前绿色消防的前沿技术，可以有效取代现有的灭火系统，其突出的灭火效率和更加广泛的适用类型在实际应用中得到了很好的展现。

封闭式煤炭输送通道中细水雾喷头布置在相邻两个烟雾探测器空气采样管中间，带式输送机机尾位置喷头的安装使用万向支座，在进行抑尘时可以全方位喷淋。细水雾喷淋装置由细水雾喷头、供水管道、过滤器、高压供水装置和区域控制阀组构成。为防止细水雾喷头堵塞，结合选煤厂水源特点，在高压供水装置进水口前端进行三重过滤，过滤精度依次为500、200、100 μm，在水进入供水管道前需要进行管网过滤，过滤精度为50 μm，在水进入细水雾喷头前进行最后一次过滤，过滤精度为10 μm。过滤器需要定期检查和更换。

设备运行过程中，当接收到PLC对已定位采样区域附近的细水雾喷淋装置发出的启动信号时，高压供水装置对相应区域已开启的控制阀供水，高压水经细水雾喷头对着需求区域实施喷雾，消除事故因素，报警解除后，细水雾喷淋装置自动停止喷水并复位。该过程也可手动进行操作。

3 结论

选煤厂封闭式煤炭输送通道实时安全监控系统实现了对输煤通道内非安全因素的全面监测和调控。可以实时显示封闭通道煤尘浓度曲线；实时显示带式输送机温度和驱动电机的振动速度曲线，实时监测带式输送机的运行状态；利用细水雾喷淋装置实时调控煤尘浓度，及时消除危险因素，保证生产安全；利用极早期烟雾探测器和红外热成像传感器及早发现和消除安全隐患；实时推送重要信息给管理人员，对尽快消除设备隐患提供了时间保障；系统可随时调取历史数据并可生成报表，对分析生产和设备运行状态提供了依据。

通过对选煤厂封闭式煤炭输送通道实时安全监控系统的分析与研究，得出以下结论：

(1)选煤厂封闭式煤炭输送通道存在粉尘浓度超标、设备振动或温度不正常、电器火花等危险因素，严重威胁人身、设备安全以及生产运行安全，选煤厂在生产运行中需要对这些危险因素进行实时监测并控制。

(2)选煤厂封闭式煤炭输送通道实时安全监控系统所采用的振动传感器、红外热成像摄像机、煤尘浓度传感器、极早期烟雾探测器、细水雾喷头等都有成熟的产品以及在其他行业成功应用的案例，因此在选煤厂封闭式煤炭输送通道实施安全信息监测与控制在技术上可行。

(3)选煤厂封闭式煤炭输送通道实时安全监控系统的投入成本不高，对保障选煤厂人员安全和设备安全，以及提高劳动生产率具有重要作用，经济和社会效益显著，值得推广应用。