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电厂筒仓安全保护系统的研制 摘要 本文从电厂筒仓安全存煤的角度出发，分析导致煤粉自燃 的因素，以及自燃过程中的标志性气体的释放规律。根据这种 规律，提出了两种解决阻止煤粉自燃的两种方案：惰化保护，换 气保护并月对方案的可行性进行了论证，提出安全系统的工 艺结构。利用p l c 型集散控制系统，完成了对于整个电j _ 一筒仓 安全保护控制系统的研制解决了电厂安今生产存在的隐患， 为电力的安全生产提供了有力的保障 关键词：筒仓安全，煤粉自燃，惰化保护，换气保护，d c s | 、匣碎1 天学顿+ 碍宄生学舒! 皂支 t hed e s i g no ft h es a f e t ya n dt h e p r o t e c ts ys t e mo ft h ep o w e rp l a _ n t s i l o a b s t i 矾c t t h ea r t i c l ea n a l y z e dt h e f a c t o rw h i c hl e a d st ot h ec o a ls i l o s e l f - i g n i t ea n dt h eg t l i l do fv o l a t i l i z a t i o no fg a so fs y m b o l i no r d e rt o s o l v i n g t h ep r o b l e mo fh i 【曲t h i c k n e s s o f f l a m m a b l eg a si nt h ec o a ls i l oi np o w e rp l a n t ，w h i c hl e a d st o d a n g e r o u se x p l o s i o n f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ei n e r t n e s so f n i t r o g e n g a s ，s e p a r a t et h en i t r o g e ng a sf r o ma i ra n di n j e c ti tt ot h es i l ot o d i l u t et h ef l a m m a b l eg a s s e c o n d l y , i n j e c tt h ep u r i f i e ds m o k ei n t o t h es i l o t h e na c c o m p l i s ht h et a r g e to fs i l oe x p l o s i o nd e f e n d i n g u s i n gt h ec o n t r o lw a yo fd c s ，a p p l yt h ed i s t r i b u t i n gc o n t r o l0 1 1 t h ew h o l es y s t e m c o m p l e t e l ym o d u l a r i z es t r u c t u r ed e c r e a s et h e c o n t r o lr i s kt op o i n tl e v e l i te n s u r e st h es a f e t yo ft h ec o a ls i l oa n d a tt h es a m et i m ee n s u f e st h es a f e wo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：t h es a f e t yo fp o w e rp l a n t ，t h ec o a ls i l oo f s e l f - i g n i t i n g ，i n a c t i v ep r o t e c t ，p r o t e c to fp e r m u t i n gg a s ，d i s t r i b u t e 轰乐婵工大学颁上研究掌学位论更 第一章绪论 1 1 电厂筒仓安全保护的现状 1 1 1 筒仓贮煤的特点 筒仓，作为贮存散状物料的设施具有结构简单、使用方便、保护 环境和减少占地等优点。1 0 0 多年来，伴随着社会经济的发展和科学技 术的进步，世界各国筒仓的应粥从粮食、建材、冶金、煤炭到屯力行业， 越来越广泛，筒仓的规模越建越大，现已达万吨级，应用形式亦有了单 仓、群仓等多种组合。可以说，筒仓的设计理论及施工技术都已达到整 本成熟的阶段。 在我国，电力系统贮煤筒仓的应用亦由小到大经历了近3 0 年的发 展。实践证明，筒仓贮煤与煤场贮煤相比有诸多优越性。首先，从经济 角度讲，筒仓占施面积小，按整体布置考虑，在贮量相等的情况下，筒 仓与攥场所用占地匠积之比约为1 ：3 1 ：4 。其次，从工艺角度讲，筒 仓运行方式简单，系统调度灵活。同时，兼有贮存、缓冲和混煤等多种 功畿。再有，从环保角度讲，筒仓贮煤较彻底地解决了煤尘对环境的污 染问题，符合现代工业的环保要求。一般认为，筒仓建设的基建和没各 投资高于煤场贮煤设麓，但如果考虑到近年柬土地征用费的人幅度提高、 环保方面的簧求及筒仓贮煤所具有的良好的工艺性等因素，筒仓的功熊、 效益包括社会效益) 与投姿之比应该是高于煤场贮煤方式的，因此可以预 渊，翰仓贮煤将是未来火力发电厂贮媒设施的一个发展方向。 1 赶襞理r 大学碗j - j l 究生学位论文 贮煤筒仓的贮存容量大小在称谓上并无觇范，只是由于最初的筒仓 容量仪为几百吨至数于吨，所以当出现万吨级容量的筒仓时，人们便称 之为大型箭仓，反过来，再把百吨级的叫做小型筒仓把干吨级的叫做 中氆筒仓。所谓超大型篱仓是指在大型筒仓的整础卜乓容量又增拥若干 倍的筒仓。由此，我们便把3 万吨筒仓称之为超大型筒仓。电力系统趣 大型篙仓的出现，一是盎于大机组、大容量电厂对贮煤容量的要求；二 是基于经济性凉因，筒仓的单仓容量越大，其单位贮量的投资越小。因 此，大型化或超大型化是贮煤筒仓的发展趋势。 1 1 2 筒仓贮煤存在的问题 篱仓贮煤我国各行业的筒仓越做越大，由此对简仓的安全性要求也 就越来越高。特别是电力行业的贮煤筒仓，它的安全性篷关系着整个电 厂的安全运行。影响笥仓安全的因素是多方面的，如工艺结构是否科学、 运行方式是否台理以及综合管理是否到位等均是小可忽视的方面。日前， 国内各行业的大登及超大型筒仓，尤其是贮煤筒仓在安全方商还存在着 一些有待解决的问题，如筒仓贮煤自燃现象普遍存在，甚至筒仓爆炸也 时有发生，筒仓的工艺设计存在着弊端，安全监控系统不够完善等。 煤矿系统筒仓的爆炸一般是由于仓内的可燃性气体摊放不利，遇火 源丽引发。丽电厂筒仓的贮煤自燃所涉及的因素则是多方面的，其中仓 内贮煤的煤种( 主要影响因素是挥发分的比率。比率越高则贮煤的自燃 几率越大) 及来煤进仓前在室外存放的时问( 室外存放的时问越长，氧化 的程度越高，进仓后就越易自燃) 等是最基本的因素。如石景山热电厂某 筒仓，贮煤入仓时阀还不到2 恩裁发生了自燃，其原因就是由于媒的挥 发份较高、且又在室外堆放过一段时间。 电厂贮煤简仓之所以存在着诸多隐患，究其原因，主要是迄今为止 国内电厂不论足摹仓还是群仓，其毛要功能大帮是以缓冲、混煤为主， 2 太原理工大学硕十研究牛i 学位论文 总窖最小，贮存周期短，都来从设计上周密考虑防燃防爆等措施。 1 1 3 目前电厂贮煤篱仓安全问题的解决方案 当前对于簿仓煤粉自燃采取的保护措施，主要是在筒仓的顶部装有 若干防墚f 】，当筒仓内的煤粉自燃从而导致爆炸的时候，防爆f 自动打 开，释放筒仓内的压力，避免由于自燃导致筒仓的爆炸。主要分为标准 式隔爆j 和重力式防爆门。 标准式防爆门是一种应用年代较长的老式防爆门，它把金属引出的 短管一端焊接在防爆体上，而另一端用法兰固定一块镀锌或镀锡的钢扳 上，被固定的镪板经过事先的计算，划好沟槽，爆炸时气浪把锻板延沟 礴冲破，达至4 泄压的目的，从而防止筒仓爆炸。然而，该种防爆门的钢 板要求根高的加工精度，淘槽的深度如果比计算值小0 o l m a ，冲破钢板 的压力就需要增加1 0 0 0 n m 2 。因此，由于钢板沟槽的加工误差，就会导 致金属镶板还没有被冲破，筒仓已经受到不同程度的破坏。 重力式防爆门是另一种防爆安全门，这种防爆门是在金属弓i 出管的 一端安装了具有一定质量，可以自由关阔的门，门盖与门座紧密吸台。 当爆炸压力达到1 6 0 0 n 蒂时，门被推开。爆炸的压力越大，门开启的程 度越大，直到全部打开。泻压后，r 靠自身的重力回位。这种防爆门造 价较高，但是安全可靠，爆炸后，不需要维修。 上述的解决方案主要是针对筒仓内可燃气体爆炸时，对筒仓采取的 保护措施。但是，爆炸已经发生，我们现在提出的解决方案是在筒仓内 的可燃性气体未发生爆炸的时候，将氮气，烟气通入筒仓稀释可燃性气 体，从而达到阻止筒仓爆炸的目的。在后续的章节中将对该方案进行可 行性5 析。并剩用t ) c s 完成对筒仓安全保护系统的控制。 j 太原理上夫学砸r 研宠生学位论之 1 。2i ) c s 的发展历程 1 2 1d e s 概客 集散控割系统又名分布式计算机控制系统，国外最早称为分敬控制 系统即1 ) ( s 伽j s t r i b u t e d c o n c o s y s t e m ) 。它是以微机处理器为基础， 继承单元组合仪表及计算机系统的优点，充分利用控制技术、计算机技 术、通信技术、图像显示技术( 即4 c 技术) 的麻用成果。其主要特征是： 焦中管理，分散控制。商1 9 7 5 年第1 套集散控制系统t d c2 0 0 0 诞生以 来的2 ( ) 多年中，备类集散控制系统，“泛应用于石油化工、冶金、炼油、 纺织、制药等各行避，均取得了很好的效果。 1 2 2d c s 产生的背景 最初韵工业过程控制是通过单元组合仪表采用原始分散控铷，各粹 制回路相互独立，其优点是某一控制回路出现故障时，不影响其它回路的 正常工作，缺点是硬件过多，自动化程度不高，难以实现整个系统的最优 控铷。随后出现集中控制，它是通过计算机将控制回路的运算、控制及显 示等功能集于一身。其优点是硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易 实现系统的最优控制，缺点是危险集中，局部出现故障会影响整体。鉴于 以上原因，人们开始研究集中分散控制，随着控制技术、计算机技术、通 信技术、图像显示技术的发展，7 0 年代中期吸收原始分数控制和集中控 制两者优点，克服其缺点的集中分散控制系统诞生了。 1 2 3d c s 发展豹三个阶段 初始阶段：1 9 7 5 年美国霍尼韦尔公司第1 套t d c 一2 0 0 0 集散控制系 统问世不久，世界各国仪表制造商就相继推出了自己的集散控制系统第 l 代集敬控制系统，比较著名的有：霍尼韦尔公司的t d c 一2 0 0 0 ：f o x b o i i o 公司s p e ( m l 堋：f i s h e r 公司的p r o v o x ：横河公司的c e n 删：西门于公司的 4 太强理_ l 夫学硕士研究生学位论文 l e le p e r 等。这些产品虽只是集散控制系统的雏形，但已经拥有集散控 制系统的基本结构；分散过程控制装置，操作管理装置和通讯系统。并已 具备f 集敲控制系统的基本特点：集中管理，分散控制。 发展阶段：随着控制技术、计算机技术、半导体技术、网络技术和软 中 ：技术等的飞速发展。集散控制系统进入第2 代。主要产品有：霍尼韦尔 公司的r | 眦一3 0 0 0 ；t a y l o r 公司的t o d 3 0 0 ：西屋公司的w d p f ：横河公 司的( 噩一1 t m x l ：a b b 公司的i a s t e r 等。第2 代集散控制系统的主要 特点是系统功能的扩大和增强以及通信范围和数据传送速率的大幅提 高。邑采用横块化、标准化设计。数据通信向标准化靠拢，控锖4 功能更加 完善，具有很强的适应性和可扩充性。 成熟阶段：1 9 8 7 年美国f o x i r ) r o 公司雄出的l a s 系统标志着集数 控制系统进入了第3 代。主要产品有：霍尼韦尔公司带有u c n 网的t d c 一 3 0 0 0 ：横河公司带有s v n e t 网的g e n t u m x l ：b l le y 公司的i i 、f o 一9 0 等。第3 代集散控制系统的主要改变是在局域网络方面。它透过采 用以太弱等协议。使各不同铝0 造商的产品可以相互连接、相互通信和进行 数据交换，同时，第3 方应用软件可方便应用，也为用户提供，更广阔的应 用空闻。 1 3 d g s 的结构及功能 集敌控制系统的系统结构特点为“操作站一现场控制站一i 0 及信 号变换器”等三级分级递阶结构是一种分布式控制系统。系统中不再只 是具有一台计算机，丽是由几台计算机和一些智能仪表、智能部件组成。 集散系统的数据通信网络是连接分级递阶结构的纽带，是典型的局域网。 这种用于控制系统的网络与普通的局域阿不同，普通局域两强调的是提 5 太贬理t 大学颐士硼究生学f 讧沦爻 高信道的耐用率，丽掩制网络强调的是可靠往、安全性、实时毪和广泛的 实瑙性。 目前的一般激注是将d c s 分为3 层：过程控制层、车问监控层、管理 屡。主要硬件组成有现场控制站、操作员鼓、工程卿站、管理计算机、 通信网络等。车闻监控级的通信网络采取双网冗余是d c s 最显著的特点。 观以日本横河公司的第三代中型集敞控制系统px l ( 如图l 所示) 为例， 说明d c l s 的系统结构及功能。 ( t ) 操作站：t lx l 。的人机接口由落地式操作站m o p i 、台式操作站p s 及其外部设备构成，操作站提供面向操作人员、工程技术人员的人机接口， 宴现显示、报警、监控、操作等操作员接口功能：实现组态设计、系统 维护等工程师接口功能。在操作监视站中，有大型的c r t 屏幕显示器和打 印机，操作人员可根据直观、形象的画面显示，改变各控制回路的设定值、 运行工况、整定参教以及回路结构。ux l 操作站的主要机能包括操作帆 巍、遥信执能、工程师技术机能。操作站将管理、专家系统、生成维 护等功能提高升华融为一体，在速度、容量、功能较横河公司的第2 代i l l s 操作站在性轾上有较大的提升。 ( 2 ) 现场控制单元：ux l 中负责过程控制的没备是现场控制单元。现场 控制站中的微机接受测量仪表送来的信号，对其进行相关的输入处理、控 翻运算、输出处理后，向执行器发出调节信号。早期的d c s 一个微机一般 控制8 ：砣个回路，它具有自己的数据库，独立地对生产过程进行控税 当系统规模较大时，可用多个现场控制站一起工作。这样一来，某个现场 控制站的微机发生故障时，只影响它控制的那一韶分回路，提高了系统的 可靠性。各现场控制站透过数字通信，与集中监视操作站随时进行信息交 换。 ( ：芬控制级通信网络：l lx l 通信机能的特点是通信结构网络化、阶层化、 6 本鼠理上天学硕士研究生学位论乏 双重化及与_ 现场仪表通信的数字化。r l 总线承担系统内的通信，通信总 线和通信接口电路均实现r 双重化。r l 总线最长可达1 5 k m 。与现场仪表 的通詹网络：在现场控制单元中通过r s 2 、r s 3 通信插件可与p l c 和现场 仪表适信。 1 4 d c s 的特点 1 4 1 分级递阶控铽 集敬控制系统是分级递阶控制系统，它的规模越大，系统重直和水平 分缀的范围也越广。最简单的集散控制系统至少在垂直方向分为操作管 理级和过彝控制级，水平方向备过程控制级之间相互协调，向垂直方向送 数据，接受指令，各水平级问也进行数据交换。 1 4 2 分敷控斜 分散控制是集散控制系统的一个重要特点。分散的含义不单是分散 控制，还包括人员地域的分散、功能分散、设备分散、负荷分散、危险分 敞。目的是苊险分散，提高设备使用率。 1 4 3 功毹齐全 可完成简单回路调节、复杂多变量模型优化控南0 可执行p i d 控制算 法、前绩一反绩复合调节、史密斯预估、预测控制、自适应控制等各种 运算，可避行反馈控制，也可进行间断顺序控制、批量控制、逻辑控制、 数据采集，可实现监控、显示、打印、输出、报警、历史趋势贮存等各种 操作要求。 1 4 4 县操作性 集散控制系统根据对宜人学的研究，结合系统组态、结构方向的知识， 为操作工提供了一个非常好的操作环境。为操作员提供豹数据、状态等 7 足原理上大学硕士研究生学应沦文 信息易千辨认，报警或事件发生的信息能引起操作员的注意长时问j 作 不易疲劳，操作方便、快捷。 1 4 5 安全可靠性高 为了提高系统的可靠性，确保生产持续运行。集散控制系统在重要设 备和对全系统有影响的公共设备上采用于后备冗余装置，并引入容错技 术。碗薛上包括操作站、控制站、通讯线路等都采用双重化配置，使得在 某一个单元发生故障的情况下，仍然保持系统的完整性，即使全局性通信 或管理失效，局部站仍能维持工作。从软件上采用分段与模块化设计，积 木式结构，采用程序卷回或指令复执的容错设计，幢系统安全稳定。 1 4 6 采用局部两络通信技术和标准化通信协议 已经采用的国际通信标准有以太网，1 e e e s 0 2 、p r ( 砒y 和姒p 等， 这些铷议的标准他是集散系统成为开放系统的根本。集散控制系统的开 赦使备不同涮造厂的应用软件有了可移植性，系统问可以进行数据通信， 为用户提供广阔的应用场所。 1 5d c s 的现状，存在的闻题与发展趋势 1 5 1d c s 的现状： 世界上主要d c s 供应商为：i l o n e y w e l i 、b a i l e y 、r e s t i n g h o u s e 、 a b b 、f o x b o t o 、刚、s i e m e n s 、e u r o 、横河、日本山武霍尼成尔等。 我国在年代从国外引进了几百套d c s 来装备石化、冶金、电力、 化肥等企业，同时又从国外引进技术，与外资合作合资组装生产国外的 d e s 并逐步实现国产化。如重庆工业自动化仪表所和上海工业自动化仪 表所开发的吣k 一7 5 0 0 、航天的友力一2 0 0 0 、电子六所的b s l 0 0 0 和 i t s 2 0 0 0 、j 匕京廉拓公司的k t 6 0 0 0 、天津中环d c s2 0 0 1 、上海新华x 1 ) t 书、 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 渐大中控s u p e r 2 c o n j x 、杭州威盛公司的f b 一2 0 0 0 等分散控制系统每年 生产卜千台，已具备很强的竞争能力，在技术上形成了可初步与国外产品 糨抗衡的产业。国产l 砖- q 主要应用于中小系统，可占市场的5 0 左右。“十 五”斯闻，大型d ( 焉以国外产品为主的状况近期不会有大的改变，p l ，( 、和 基于1 p c 的国产阢s 及工业控制装置在中小工程中将占据主导地位。 i ，5 2d c s 的主要发展趋势 南于标准数据通信链路和网络的发展，将多种单( 多) 回路调节器、 p l c 、工业p c 、n ( ? 等工控设各构成大系统，并与现场总线相融合，适应开放 亿的太趋势：向智能化方向发展：由于数据库系统、推理机能的发展专家 系统、知识库系统( k b s ) 的应用，人工智能可在d o s 各级实现：o c s 工业 p c 化：南】p c 组j 蕞i x s 成为一大趋势，p c p l c 、p c s t d 、p c n c 等 裁是p c d 心的先驱， p c 成为i ) c s 的硬件平台；d c s 专业化：使用和领 域相应的行业i ) c s 如电站d c s 、水泥d c s 、玻璃d c s 等。s 与p l c 相互 渗透、掘互融合：毗s 原本多用于连续过程控制，p l c 多用于逻辑顺序控 制。但实际的生产过程比较复杂，既需要连续控制，叉需要逻辑顺序控 制功能。d c s 开始将p l c 连入系统，如火电厂d c s 系统中的p l c 主要用于 实现楣关的联锁保护系统。 1 6 本课题的研究目标 l6 。1 对筒仓中的煤粉自燃现象进行系统性的分析研究提出通过标忐 性气体的释放秘断煤粉的自燃状态 1 6 2 提出两种保护方案：对惰化保护，换气保护并提出两种方案的工 艺结构。 1 6 ，：j 构造p l c 型d c s 系统完成对惰化保护和换气保护的自动控制，在懈 q 基斑理工大学碾十研究生学位论文 决了筒仓安全目题的同时，也解决厂筒仓保护系统的安全性。 1 6 。4 为了更好的提高p i d 控制的品质，利煽用模糊推理完成对p i d 参 数的整定。 第二章煤粉自燃因素分析 现在我国的火电厂基本上都是数煤炭作为发电的重要能源。而大量 的煤炭储存在筒仓内。煤炭的自然会导致整个筒仓的爆炸，给发电厂带 来无法估量的经济损失。为了解决这一问题，我们首先对煤炭自燃现象 散一拿详细的剖析。 扶化学上讲，煤炭自燃是煤炭在空气中尉烈氧化而发光发热的一种 化学现象。然而，煤炭从氧化自热到急剧氧化是一个十分缓馒的过程 这是在不断连续供氧条件下，随时间的推移，热量积累与氧化程度加剧 循环渐进的过程。为了确保安全生产，煤炭自燃被定义为煤的氧化自热 至口燃烧的整个氧化过程。 然而，在煤炭氧化反应的不同阶段，对生产所造成的影响是不同的。 遮就需要我们在供氧条件不改变的情况下，有效的判断出煤炭的氧傀程 度，并实施柏应的对策来阻止氧化反应。 聚据国内外实验室的实验以及现场测试表明，煤的自燃大体可以分 为四个阶段：缓慢氧化阶段、快速氧化阶段、强烈氧化阶段、剧烈氧化 阶段( 发光、发热现象) 通常，人们都以煤的温度来刻划煤的氧化程度，但是，由于煤的变 质程度不同其燃点值也不同，无法进行统一摘述。两此，掌握煤炭在自 1 0 太幕理e 大学碗十研究生学俯论文 燃过程酩子阶段释放的气体成分以及自燃标志气体的变化规律是分析煤 炭氧缎程瘦的重要依据。近年来，国内外许多学者均在此方面怍了很潍 刻的研究和大量的实验，并已初步地掌握许多中煤质随着煤温的升高， 斧种标志气体的释放量和变化规律，这里我们引用煤科总院瓶颗分院罗 海珠和钱国胤的实验结栗见表( 2 1 ) ，图( 2 - 卜一25 ) 。 表2 1 冬蝶种c o 和c t 也出现的临界温度( 。c ) t a b 。2 1 ( 痂i c a lt e m p e r 越a r eo fc oa n dc 2 h ia p p e a r i n gi na l 】s o r lso fc o a1 嚣，褐煤：毒l3 气煤4 肥煤8 s 焦煤 卜煤譬 c 084 186 685 9i | 6 688 l 9 4 1 3 088 3 g h i81 0 981 1 91 2 481 2 78 1 4 8 1 5 081 5 8l1 4 8 ： 童 鼍 葶 l 嫌i f ) 图2 - 1e o 发生率与煤温的关系 f 醇2 一lr e l a t i o no fc og e n e r a t l n gs p e e dr a t ea n dc o a lt e m p e r a t e 太原理工天学硕士研究生学f 最论之 鼍 豫 甜 烈 士 d 邋 妊 童 占 、 譬 g ? 一 藩 壤 图2 - 2c ，m 发生率与煤温的关系 f 嘻2 - 2r e l a t i o no f q 心g e n e r a t i n gs p e e dr a t ea n dc o a lt e m p e r a t e 煤蕾( ) 图2 - 3 堞钟卜4 中ez 乩e ：吼与煤温的关系 f i g 2 3r e l a t i o no f c z h 4 c z h 6a n dc o a lt e m p e r a t e 如t h ec o a ls o i s 】- 4 太原砰工大学碗十研究牛学位论文 ir i l 沮) 图2 - 4 煤种5 8 中c 。m c ：巩与煤温的关系 f i g2 4r d a l o no c 2 h 水2 h 越dc o a l 恸h p 日缸em t h ec o a ls 嘣55 - g 我们知道仪仅通过标志性气体的释放量来判断煤的氧化程度是不全 盘的。筒仓面积的大小，以及筒仓内的通风性能都会对标志性气体的释 放量的梭铡产生影响，而标志性气体释放量增加或减小的速度的变化， 贝4 动态的翔匦出煤的氧化的不同程度。 从圈1 可知c 0 的释放速度是随着煤温的增加而增长的，但是由于筒 仓内部的瀑温是不容易测量的。那么是否通过c o 的释放速度是随着缘l 磕 的增加丽增长，藏能够判断出c o 的释放速度随着时问的增加也快速增 长。下缸将通过论证得出该结论是正确的。 1 3 羽h1h010n蓄纂 太跟理上夫学硕士研究 学t 立论文 t 图2 - 5 时问t 与堞温问的关系 f 蟪2 5m l a t m no f t i m eta n dc o a lt e m p e r a t e 2 8 0 2 3 0 p 1 8 0 毳 咎 f3 0 8 0 上圆通过实验描绘了不同煤着火前的时间与煤温问的关系，从中可以看 出，在氧他热全部消耗在煤温增高的情况下，煤温是急莉增长的t 满足 d t d t ) 0 ( 2 一i ) 同时由于关系曲线圆滑可以得出，d 2 t d 2 t o ( 2 2 ) 并且从圈l 可知，( ) ( 释出速度m 与煤温t 也满足 d 疆d t o ( 2 - - ) t i 诩d 叮) o ( 2 4 ) 因为栅d t = ( d 彬d t ) 车( d t d t ) 由( 2 - 1 ) 和( 2 3 ) 可知d m d t o 【2 - 5 ) 灰壤理工大学硕十研究生学傅论文 d 2 a l ；d ( d 型m ：竺五d m 五d t ! ：兰翌d m 塑+ 坐塑 嚣函函d | d l 出jd t 2 t 确) ，d m = 薯丁d f d t + d m d2t：id2m(dt+万dm矿d2tdt d td td td 瞄td l z2 、 。d td 2 由( 2 - 1 ) ，【2 - 2 ) 和( 2 - 3 ) ，( 2 - 4 ) 可知d d t 2 o ( 2 - 7 ) ( 2 7 ) 式说明，若标志气体释出速度随着煤温豹增加有加快增长的趋 势，则随着时问的增加仍具有加快增长的趋势。这为我们根据标志气体 的释出特征来判剐煤的氧化程度提供了依据。表2 - 2 给出了煤的不同氧 化阶段标志气体的释出特征。 表2 2 各种自燃类别的标志性气体的释出特征 t a b 2 - 2m a 冉e 6a i rr e l e a s i n gc h a r m e t 矾co f m u l t i p l e 逗面矗o ns c 啦 憾 123456 1 ( 料kc 瑚lc 2 h sc 瑚喝啦k ( ；心 束开始 较低较低几乎无几乎无 自燃 较高且 缓慢氧化高且上升 缓慢上较低较低 阶段快 升 快速氧化高巳上较高且缓低且缓慢低且缓慢较低且缓较低且缓 阶段升快慢上升上升上升慢上升慢上升 很高且高且上升高且上升 强烈氧化低且下降较高且上较高且上 上升极较快迭到快且逸到 阶段 快升快 升快 快峰值蜂值 1 5 太原理1 入学硕十研究争学位论文 。剐烈氧化阶：很高且上很高且上 ； 极高f 降下降 段 升极挟升极怏 因此，根据这些标志性气体在接近煤层位嚣的空气中含量和变化率 的快慢，可以判断出煤粉是否处在自燃状态，并且处于自燃的哪个阶段。 从而对筒仓内煤狯的状态进行有效的监控。 第三章筒仓安全保护的工艺流程 3 1 筒仓的安全保护措施 3 1 1 标杏性气体的采样分析 由气泵将筒仓内的气体抽出，送入气相色谱分析仪分析其中气体成 分以及气体含量，并将分析数据送入监控中心。 3 1 2 筒仓的安全保护 在对上述的标志性气体进行采样分析后，通过煤粉释放的标志性气 体的含量判断出筒仓内的煤粉是否处在自燃状态，如果处在自燃状态， 邪么处于自燃的哪个阶段。在煤粉的快速氧化阶段，将遥入氨气来稀释 符仓内的氧气和攥粉自燃所释放的标志性气体来保护筒仓。当煤粉处于 强烈氧化阶段的时候，将利用电厂排出的烟气，经过一系列净化处理后， 通入筒仓。这样，既消除了筒仓的安全隐患，为电厂的安全生产提供i r 有力的保障同时，降低了维护成本，变废为宝。 以上的两种保护措施在以下的章节中会有详细的描述。 太厦珲工大学硕士研究生学位论文 3 2 筒仓的惰化保护 3 2 1 氨气的性质 氯气的物理性质 1 ) ：氮气是一种无色、无味的气体，密度比空气稿小( 标态下为1 2 5 0 6 9 1 ) 2 ) ：氯气在压强为1 0 1 1 0 5 p a 、温度为。1 9 5 8 。c 时，变在无色液体， - 2 0 9 。8 6 c 对变成雪花状固体。 3 ) ：氯气在水中的溶解度很小，在通常情况下，i 体积水中大约可以溶解 0 0 2 体积的氯气。 氨气的化学性质 囡为氮气分子结构的原因，所以氮气的化学性质很稳定、通常情况 下，不与其它物质发生反应。但在高温、高压、催化荆或放电等条件下 也能与氢、氧、金属等物质发生化学元素反应 1 、氮气跟氢气的反应 高温、高压、催化荆 n ：( 气) + 3 ( 气 2 n h 。( 气) + 9 2 4 k j 2 ，氮气跟氧气的反应 k + t ) ，2 n o 放电 生成的一氧化氨不溶于水，在常温下很容易跟随空气中的氧气化合， 生成红棕色的二氧化氮，二氧化氮有色，易溶于水。它溶子水后生成硝 酸和一氧化氯 2 n o + ( k l - n o ：3 n 0 2 + i t ：0 把l n o 。+ n o1 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 氨的氧化物中除了一氧化氮和二氧化氮以外，还有其它几种氧化物它们 分剐是： + l+ 2十：j+ 4+ 5 x 舢 狱l n 盖bn o ：k x 郧； 其中，四氧化二氮常温是无色的气体。 五氧化二氮是无色晶体，是硝酸的酸酐 3 2 2 通过以上分析可知，氮气在筒仓状态下，具有很强的稳定性，不 易于其他物质发生反应，同时由于空气中含有大量的氮气它的可获取 性为我们的筒仓的惰化保护提供了必要条件。 3 2 3 工艺结构：见筒仓安全保护( 3 一1 ) 惰性气体制备系统将制备出的氮气送入储气罐妁阀为氮气通入 总阀：7 ，糯阁为分剐控巷n 筒仓1 和筒仓2 氮气入口阀门：m 3 阉为镇气 阀，是为了防止惰性气体从简仓下部排出m ，m 2 阀为氮气通入控翩阀 门瑚阆位于筒仓的中下部，舵阀接近于筒仓的底部。当煤层位置接近 于或低于酐i 阀控制的管道位置时，为了防止进入的氮气将筒仓内煤椅吹 起弥散于整个筒仓，只打开m 2 阀。如煤层位置高于m l 阀控制的入口 管道，则m ，_ 1 1 2 阀同时打开，稀释可燃性气体。筒仓2 中的阀门与上述 功能相同。 制氯设备已经是非常成熟的技术，在这里不做描述。需要强调的是 我们在氯气总阀的入口处装有压力检测仪表，当入口处的压力达不到系 统要求前竣定值时，制氮设备自动启动对系统做必要的补充。 1 8 太强理工大学硕士研究生学位论支 图3 - 1筒仓安全系统工艺图 f i 9 3 1t h ep r o t e c ts y s t e mi ns i l o 1 9 太原理工大学硕上研究生学位论迂 3 3 电厂烟气的挣化过程 电厂排出的烟气虽然已经脱硫处理，但仍然有一定的酸性，同时具 有很高的温度，不能直接通入筒仓稀释可燃性气体为了解决这问题， 需要要一个独立的烟气净化系统。见烟气净化系统的工艺篱图( ：；3 。1 ) 工艺结构： 烟气通过弓l 风机的作用进入喷雾塔中，与此同时，冷水机组的水泵 将喷淋塔中的水引入冷水机组冷却，然后，进入到喷雾塔，对烟气进行 一级降温。 喷雾塔内的汽水混合物遥过管道进入到喷淋塔中同时冷水机组的 水泵将冷却的水引入到喷淮塔，对烟气进行二级降温。 汽水混合物在喷淋塔内实现了汽水分离，烟气在增压风机( 鼓风机) 的作甩下，进入冷气机组，进行三级降温。烟气出口温度保持在1 5 2 0 度。 在设备的运行过程中，喷淋塔内豹p h 值传感器将检测循环承的酸碱 度，细发现p i 2 ) 来自电厂的烟气在管道入口温度高于1 8 0 度 3 ) 冷气机组出口的烟气压力小于1 4 0 k p a 4 7 太原理工大学硕士研究生学协论丈 4 ) 鼓风机轴心温度高子1 0 0 度 4 4 4 2 故障停机程序 1 ) 关闭冷水机组。关闭冷气机组 2 ) 停止鼓风机 3 ) 停止引风机 4 ) 关闭d l ，d 2 阀 5 ) 伸缩机上升 6 ) 伸缩机到限位停机 4 4 5p l c 之阔的通讯 在第二节中我们介绍了操作站对惰化保护p l c i ，惰化保护p l c 2 ，换 气保护p i e 的运 亍状态的监控在这里我们着重说明惰化保护p i g ，换 气保护p l c ，冷水系统p l c ，冷气系统p l c 之间的通讯功能。 在控制流程中，换气系统启动的过程中需要启动冷水，冷气机组， 同时向惰化保护的p l c 控制的伸缩机发出下降指令。冷水，冷气，惰化 保护的p l c 在接收到指令，完成任务后，再将消息反馈给换气系统的p l g ： 或者在设备出现赦障的时候，也要将信息反馈给换气系统的p l g 。同样， 氨气制各系统出现故障的时候，将故障信息反馈给惰化保护的p i j 3 。 现在所要做的是将一组数据从一个p i e 传递到另个p l e 。我们以 换气系统的p l c 与冷水系统的p l c 之间的通讯为例。当换气系统在顺序 启动设备的过程中，需要启动冷水机组，则换气系统的p l g 首先将一组 数据写入到寄存器地址如i o v e7b 3 ：6 ；然后发送该寄存器的内容到冷 水系统的p l c 的寄存器地址如b 3 ：4 。冷水机组系统的p l c 在识- 尉到b 3 ：4 的内容与所发送的数据相等时，启动冷水机组。见图( 4 1 2 ) 配置 4 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 图4 - 1 2p l c 通讯对话框 f j g 4 - 1 2d i a l o go f p l c s s c o m m u n i c a t i o n s 4 4 6 仙p l c 配置表 袁4 - 5 换气系统p l c 配置 t a b4 - 5p l ci sc o n f i g u r a t c di nc o m m u t i n gg a ss y s y o n 名称型号数量备注 处理器 l7 6 4 - l s pl 耕i c i 0 l5 0 0 存储器 l7 6 4 一r 1 ml6 4 隅 输入模块1 7 6 9 - i q l 6 2 1 6 点输入 输出模块 1 7 6 9 一o 胃1 6 21 6 点输出 模拟量输入 1 7 6 9 一i f 434 路差分模拟量 通讯模块 l7 5 6 - e n i n e tl 以太礴通讯 通讯适配电缆 l 继电器输出。内 机架 17 6 4 - 2 4 b w al嵌1 2 点输入。 1 2 点输出 4 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 i 盎7 信号辕入地址分配表 表4 - 6 换气系统输入地址分配表 t a b 舶面畔血l g a d r e s s e s 都d i s ，t h l 埘证c 咧洫u t 鹂g a s 叫哥m 信号分配地址信号分配地址 鼓风机故障 i ：o 0d 2 阀手自动切换i ：1 4 鼓风机急停i ：o 1d 2 阀开限位i ：1 5 鼓风桃手动状态 i ：0 2d 2 阕关限位 i ：l ，6 鼓风机自动状态 i 0 3。d 3 阀手自动切换l ：1 7 鼓风机手动停 i ：0 4d 3 阀开限位 f ：1 1 8 搅拌机循环泵急停 i ：0 5d 3 阀关限位 i ：l 9 搅拌机手动状态 i ：0 6引风机手自动切换i ：1 1 0 搅拌机自动状态 i ：0 7系统故障复位 i ：1 1 1 循环泵手动状态 i ：o 8系统远程1 二1 1 2 循环泵自动状态 i ：0 1 9系统就地i ：1 1 ： 搅拌机循环泵故障 i ：o 1 0系统就地启动i ：1 1 4 引风机急停 i ：o 1 1系统就地停止i ：i l l 5 引风机故障 i ：1 1 0 d l 阈手自动切换 i ：t 1 i ) j 阁开限位 】：1 2 d 1 阉关限位i ：l t a 4 4 8 信号输出地址分配表 表4 - 7 换气系统输出地址分配表 t a b4 - 6o t n p m i n ga d r e s s e sf l l ed i s t m i b u t e di nc o m m u t i n gg a ss y s y e m 5 0 太原理工大学硕士研究生学垃论文 信号分配地址信号分配地址 鼓风机运行 0 ：o o电磁阀开 0 ：2 1 鼓风机自耦降压启0 ：o 1d 1 阀开启0 ：2 2 动 鼓风机自耦降压启 o ：0 2d l 阀关闭0 ：2 3 动 搅拌机运行 o ：0 3 d 】阀开启 0 ：2 4 谱邵象廷仃 0 ：( ) 4d l 阀关闭o ：2 5 系统故障疆不 0 ：0 5d 1 阀开启o ：2 6 引风机运行 0 ：2 0d l 阀关闭0 ：2 7 4 4 9 涮量仪表翦数据羹定 在烟气的净化过程中，为了实现烟气的降温，除酸的处理。我们使用了 压力变送器，温度变送器，p h 值变送器等。见表4 - 8 表4 3 工业仪表说明 t a b 年_ 8i l l u m i n a h o no f i n s t r u m e n ti nm d u s 埘 供电信号 编号名称量程工艺说明 电源输出 温度变送烟气入口温度 1 1 r j 0 i2 4 d c4 - 2 0 m 0 - 2 0 0 度 器检测 温度变送 在喷雾塔出口 t t l 0 22 4 d c4 2 0 m a0 1 5 0 度 的烟气温度检 器 测 温度变送鼓风机轴心温 t t 。1 0 32 4 d c4 2 0 【n a0 1 0 0 度 器度检测 5 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 温度变遴鼓风机轴心温 t r 1 0 42 4 d c4 - 2 0 r “1o 1 0 。度 器度检测 温度变送鼓风机轴心温 i t l 0 52 4 i ) ( ：4 - 2 0 m a0 - 1 0 0 度 器度检涮 温度变送鼓风机轴心温 t t l 0 62 4 d c4 2 0 吼a0 - 1 0 0 度 器度检测 温度变送鼓风机轴心温 i t l 0 72 4 d c 4 - 2 0 m a0 - 1 0 0 度 器度检测 温度变送 在冷气机出口 i r t l 0 82 4 d c4 - 2 0 m a0 - 1 0 0 度的烟气温度检 器 测 压力变送 在弓l 风机出口 p t l 0 i2 4 d c4 2 0 咀a0 一l o 雠 的烟气压力检 器 测 压力变送 鼓风机机出口 p t l 0 22 4 d c4 - 2 0 m ao 一5 0 m p 的烟气压力检 器 测 压力变送 烟气在冷气机 p t l 0 32 4 d c 4 2 0 m a一2 0 0 一2 0 0 k p 如口的压力检 器 测 p h 值变循环液的酸碱 p r r l 0 12 4 d c4 - 2 0 m ao 一1 4 送度澜试 表中这些变送器输出的信号，进入a bp l c 的模拟量模块( 1 7 6 9 - 1 f 4 ) ， 实现了信号的a 棚转换。但是，采集到p l c 的数据，不是电滚数值，这 5 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 些数据和电流值成正比，设采集到的数据为p ，斜率k = 1 5 6 0 ( 见j 7 6 9 - 1 f 4 用户手册) ，剐i p k 。 同时，我们知道温度变送器，压力变送器p h 变送机器输出的电流 信号，分别与温度值，压力值，p h 值成线性关系以温度变送器为例，见 鬻4 一1 2 围4 - 1 3 温度与电流的关系 f 螗4 - 1 3 球i a t i o no f t e m p e r a t u r e a n dc u c c c n t 已知x l = 4 ，y 1 = o ，x 2 = 2 0 ，y 2 = 1 0 0 贝口斜率k = ( 1 0 0 - 0 ) ( 2 0 4 ) - - 6 2 5 设线性方程为y = 6 2 5 x + b , b = 2 5 从恧可得线性方程为y = 6 2 5 x 一2 5 根据上面的方程我们就可以知道在4 - 2 0 m a 的电流值所对应的温度 值，解决了模拟量的数据整定问题。 5 3 太跟理工大学硕士研究生学位论文 一l一一 5 4 誉堕，；，；l， 司型习型围围 母 上i 1畸审辂净勇i叠屯砖毒堂蔷疆 f i 婶# _ 1 4 b1eceo窨暑。一b0牙亭oonhnutillgasysyo瞢 太原理工大学碗士研究生学位论文 誊兰 。鼍- - t ；z 1 5 5 i t - i#cfn 哪一翰1一认。一motro口ri等n一口一o o叶吨矿譬 氖碌理工大学硕士研究生学位论文 ：o fi盼阜_i吼。一on尊ic屯，譬oiple o 叶p l o i n nomm口什in帕噼匿sy帆yen_ 太礞理工大学硕士研究生学位论文 4 5 模糊p i d 控制器的设计 系统对于经过净化后的烟气出口温度有较高的要求：首先是为了防 止温度过高对辕烟管道的损害，其次，如果温度过高。非但没有解决碡 释可燃